SE526001C2 - System för överföring av elektrisk kraft - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 5126 001 2 används i dag nästan uteslutande för lànga överföringsför- bindelser med kraftkabel.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning löser ett eller fler av ovannämnda problem. Enligt en första aspekt av uppfinningen tillhanda- hàlls ett kabelsystem för växelströmsöverföring som inne- fattar ätminstone en transformator anordnad för ett stort urval spänningsomvandlingar och som har förmåga att regleras sa att spänningen över överföringssträckan kan varieras för att optimera den överförda momentaneffekten till en nivà hos en naturlig belastning för den använda kabeln. Den naturliga belastningen definieras att vara den belastning där kabel- systemet i princip inte upptar eller genererar reaktiv effekt vid nàgondera änden. Termen kabelsystem används för att beteckna en eller flera sträckningar av kraftkabel och shuntreaktorer förbundna vid skarvarna mellan kabelsträck- orna. Shuntreaktorer vid kabelterminalen kan innefattas eller inte innefattas i kabelsystem. Det beskrivna kabel- systemet för växelströmsöverföring kan ocksa regleras så att spänningen över överföringssträckan kan varieras för att reducera dielektriska och resistiva förluster till ett mini- mum. Det beskrivna kabelsystemet för växelströmsöverföring som även innefattar tillhörande skarvar, terminaler, brytare och skydd kan vidare regleras sà att spänningen över över- föringssträckan kan varieras för att minimera tomgàngs- effektförluster.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen beskrivs ett för- farande för reglering av kabelsystemet för växelströms- överföring vid en spänning som är beroende av kabelns na- turliga belastning, vilket sàlunda minimerar reaktiva effektförluster, dielektriska förluster och resistiva för- luster, särskilt vid tomgàngsförhällanden.

Enligt ännu en aspekt av uppfinningen reduceras kortslut- ningsströmmen genom uppfinningen vid laga effektflödes- belastningar. Uttagsomkopplingen ökar kabelimpedansen enligt 10 15 20 25 30 35 kvadraten pà uttagsförhàllandet. Det uppfunna kabelsystemet bidrar därför inte lika mycket som dagens lösning till kortslutningsströmmar. Detta innebär att fler kretsar kan parallelliseras vid lag last, vilket ökar driftsäkerheten i elenergiförsörjningen.

Enligt en annan vidare aspekt av uppfinningen beskrivs ett styr- och kommunikationssystem för att utföra kommunikations och styrfunktionsatgärder vid förfarandena för reglering av kabelsystemet för växelströmsöverföring vid en spänning som är beroende av kabelns belastning.

Enligt ytterligare en annan aspekt av uppfinningen beskrivs ett grafiskt användargränssnitt (graphical user interface, GUI) för att presentera driftparametrar hos det beskrivna växelströmsöverföringssystemet.

För att minimera reaktiveffektförlusterna använder sig upp- finningen av en effekt eller ett fenomen känt som den natur- liga belastningen eller vàgresistansbelastningen för en överföringsledare, vilket definieras (se ovanstående definition och kan uttryckas som: PM... h; w» där V är spänning och ZV är (den verkliga delen av) vàg- impedansen. Denna belastningsnivà är särskilt förmanlig när överföringskabeln förbrukar samma andel reaktiveffekt per längdenhet som den genererar. Reaktiveffekt behöver därför inte överföras i nágon riktning. Genom att ta effektflödet genom kabelsträckan vid nivàn Egcnml kan kabeln drivas vid naturlig belastning genom att reglera spänningsnivàn V enligt en ekvation såsom: V: Zv-Pactual Figur 5 A, B, C, D visar ett exempel pà en 130 kV-krets. Den kan drivas i ettdera av tvà tillstànd. Det första tillstàn- det A, B är ett konventionellt sätt enligt teknikens ständ- punkt, vilket innebär att den hàlls vid konstant spänning hela tiden. Det andra tillståndet är en spänningsberoende 10 15 20 25 30 35 Û ,;Ö Û:]f (i 4 tillstànd, ”spänningsberoende kabelöverföring” (”Voltage Dependent Cable Transmission, VDCT”), dvs enligt uppfinn- ingen och ekvation (O) ovan. I nedre högra hörnet i figur 5 kan vi i diagrammet D se att den konventionella driften i detta fall kommer att generera ungefär 40 MVAr kapacitiv effekt i vardera änden, vilket màste kompenseras. Denna kompensation orsakar också ytterligare elektriska förluster som uppträder i reaktorerna. Den spänningsberoende kabel- överföringen enligt uppfinningen utbalanserar nästan den reaktiva produktionen genom att variera spänningen. Varje eventuell avvikelse beror pà det resistiva spänningsfallet i kabelsträckan. Uppfinningen reducerar därför onödig produk- tion av reaktiveffekt och minskar därmed de resistiva för- luster som är förknippade med denna onödiga transport.

Emellertid finns det förutom de resistiva förlusterna också avsevärda förluster pà grund av dielektriska effekter i kabeln och pà grund av resistiva förluster i kompensations- utrustningar, typiskt reaktorer. Dessa förluster kan ocksa minimeras enligt föreliggande uppfinning.

Förhållandet mellan resistiva förluster och dielektriska förluster kan beräknas. Följande beräkning gäller t ex för en enskild punkt utmed en växelströmsöverföringsförbindelse: Vid beräkningen av kabelspänningsoptimering vid en punkt betraktade vi en kraftkabel som kan arbeta vid variabel spänning sàsom beskrivits ovan och i ekvation (1) och här- leder den optimala kabelspänningen. Vi antar att de samman- lagda aktiva kabelförlusterna är lika med summan av resis- tiva förluster och dielektriska förluster. Vi antar att de resistiva förlusterna är proportionella mot kvadraten pà strömen och de dielektriska förlusterna är proportionella mot kvadraten pà spänningen. Vid denna studie introducerar vi följande storheter: [Ü är kabelns märkspänning [V] In är kabelns märkström [A] Sn är kabelns [VA] skenbara märkeffekt Sn=lhIn 10 5 Pf är de sammanlagda förlusterna [W] Pfd är de dielektriska förlusterna vid märkspänning [W] Pf, är de resistiva förlusterna vid märkström [W] Pfi, är de sammanlagda förlusterna vid märkström och märkspänning [W] Vi inför följande icke-dimensionella storheter: är den icke-dimensionella spänningen U/Un är den icke-dimensionella strömmen 1/1" s är den icke-dimensionella skenbara effekten S/Sn z är de icke-dimensionella förlusterna Pf/Sn c är de relativa dielektriska förlusterna Pfd/Pfi Ekvation (1) ger de icke-dimensionella kabelförlusterna: Z=cx2+(1-c)y2 (1) Vi vill minimera Z med förbehåll för följande begränsningar: xy=s (2) xmšxšl (3) yšl <4) Vi kombinerar ekvation (l) och (2) och erhåller: S2 (s) = 2 1- .__ z cx+( c)x2 Nu differentierar vi (5) med avseende på x och erhåller: d S2 (s) l=2cx-2(1-c)-3- dx x Ett nödvändigt villkor för extremum är att dz/dx=0, vilket ger: lO 15 cx4=(1-c)s2 (7) Det preliminära resultatet, vilket inte avspeglar begränsningarna (3) och (4), är: l-C 2 (8) För att visa att ekvation (8) ger ett minimivärde beräknar vi den andra derivatan av förlusterna genom att differenti- era ekvation (6) med avseende pà Z. dz 2 i (s) :¿§=2c+6(1-c)% Nu kombinerar vi ekvation (8) och ekvation (9) och erhåller: (12 61- 2 (10) å=2c+-((ï-f)l"ï2í=2c+6c=sc>o -C S Den andra derivatan av förlusterna med avseende pà spänning är alltid större än noll och ekvation (8) ger minimiförlus- terna. Vi kan anta att det oinskränkta minimumet inte alltid är en tänkbar lösning som tar hänsyn till att vi har ett be- gränsat regleromràde xm gräns )H<1 för strömmen. Först modifierar vi den preliminära spänningen som ges av ekvation (8) med avseende pà spän- ningsgränserna. xz=minfxnax(x,,xm),l] (11) Vi kan nu beräkna en preliminär ström enligt följande. s (12) y1:__ xz Nu modifierar vi denna preliminära ström med avseende pá strömgränsen. y=mín(yl,1) (13) 10 15 20 Vi kan nu beräkna det slutliga värdet av kabelspänningen enligt följande: S (14) Figur 7 visar den optimala spänningen som funktion av kabel- belastning. Balanserade förluster betyder att de resistiva förlusterna är lika med de dielektriska förlusterna vid märkström och märkspänning (C=(l5). Làga dielektriska för- luster innebär att C=Jl2 medan làga resistiva förluster innebär att C=(l8.

Figur 8 visar den optimala strömen som funktion av kabel- belastning, se Balanserade förluster.

Figur 9 visar de resistiva och dielektriska förlusterna som funktion av kabelbelastning.

Figur 10 visar förlustreduktionen för en kabel med laga die- lektriska förluster.

Figur ll visar förlustreduktionen för en kabel med balanse- rade förluster för konstant spänning respektive variabel spänning.

Figur 12 visar förlustreduktionen för en kabel med höga die- lektriska förluster för konstant spänning respektive varia- bel spänning.

Om vi studerar hela kabeln blir ekvation 2 XW==S(d) där d är avstàndet frän ena änden. Vi minimerar funktionen length j smyzd 0 med avseende pà spänning och fàr da driftspänningen för kabelöverföringssystemet_ 10 15 20 25 30 35 .' fl ~._;_ Û'ï uu f 4 J I 8 Den allmänna slutsatsen till följd av denna kombinerade mini- mering av det onödiga reaktiva effektflödet och den optimala spänningen för att reducera dielektriska och resistiva för- luster, beräknade för en punkt i kabeln, ger ett minimum av samanlagda förluster i överföringskabeln.

Den främsta fördelen med uppfinningen är att minimala effektförluster pà grund av minskade dielektriska och resis- tiva förluster innebär att längden hos växelströmsöverför- ingskabeln enligt uppfinningen inte är begränsad till ca 50 kilometer eller sà utan kan i själva verket vara flera hund- ra kilometer läng. Orsaken till detta är att förfarandet och systemet enligt teknikens ståndpunkt för shuntreaktorer för att kompensera reaktiv effektgenerering endast är effektivt för en förbindelselängd pá upp till 50 km eller sà dä resis- tansen och impedansen hos förbindelsen är en funktion av förbindelselängden. Vid uppfinningen överförs ingen reaktiv effekt och därför behövs inga shuntreaktorer för kompense- ring, och således finns det praktiskt taget ingen gräns för förbindelselängden orsakad av generering eller transport av reaktiv effekt. Därmed ástadkoms kabelsystem för växel- strömskraftöverföring med avsevärt lägre effektförluster vid drift som kan länka samman kraftnät som är hundratals kilo- meter fràn varandra pà ett sätt som är mera ekonomiskt att bygga än enligt teknikens ståndpunkt, som mäste ha utrust- ningar för reaktiv effektkompensation installerade atmin- stone varje 50 km eller sà.

En annan fördel med uppfinningen är att reaktiveffektkom- pensation med shuntreaktorer inte krävs vid ändarna av överföringsförbindelsen eller, vad som är ännu mer oför- delaktigt, med regelbundna mellanrum utmed en förbindelse enligt teknikens ståndpunkt. I stället krävs vid vardera änden av förbindelsen en transformator med stor omsättning när det gäller omvandlingen, och förbindelsen mäste drivas med variabel spänning. En transformator av nàgot slag krävs nästan alltid vid änden av en överföringsförbindelse sá en anläggning enligt uppfinningen är bade billigare att bygga och - med avsevärt lägre effektförluster - billigare att 10 15 20 25 30 35 r f., ,{ t, .J 9 driva. Shuntreaktorer för reaktiveffekt har också därmed förknippade effektförluster.

Ci” Effektförlusten på grund av dielektriska förluster och ladd- ningseffektförluster för en växelströmsöverföringskabel vid tomgång reduceras exempelvis med så mycket som en tredjedel eller mer, vilket - om man tar hänsyn till det stora antalet kraftnät som körs på tomgång varje natt - ger en stor miljö- mässig och ekonomisk vinst. Vidare kan det vara så att, vid en särskilt utföringsform av uppfinningen, en transformator för ett vidsträckt område kanske bara behövs vid änden av överföringsförbindelsen.

En annan fördel med uppfinningen är att den termiska över- belastningsförmågan hos kabeln i en överföringsförbindelse som beskrivits är större än för kabelsystem enligt teknikens ståndpunkt. Detta medger större frihet vid körning under temporära överbelastningar för att underlätta problemen i en kraftnät.

FIGURBESKRIVNING En mer fullständig förståelse för förfarandet och systemet enligt föreliggande uppfinning kan fås genom följande de- taljerade beskrivning under hänvisning till bifogade rit- ningar, där: Figur la visar i ett förenklat diagram ett exempel på en kabelöverföringsförbindelse för högspänd växelström (HVAC) för ett system mellan två punkter anslutna till kraftnät enligt teknikens ståndpunkt; figur lb visar ett förenklat diagram för ett system med en HVAC-kabelöverföringsför- bindelse och en transformator enligt teknikens ståndpunkt, och figur lc visar ett liknande diagram för ett system med en överföringskabel och en transformator. Figur ld visar ett förenklat diagram för ett HVDC-kabelsystem med en överför- ingskabel och två AC/DC-likriktare enligt teknikens stånd- punkt. 10 15 20 25 30 35 10 Figur 2 visar schematiskt ett system innefattande en över- föringsförbindelse och tvà transformatorer anordnade mellan två punkter anslutna till kraftnät enligt en utföringsform av uppfinningen; Figur 3 visar i ett schematiskt diagram med en HVAC-kabel- överföringsförbindelse och tvà shuntreaktorer anordnade mellan tva punkter anslutna till kraftnät enligt teknikens ståndpunkt; Figur 4 visar schematiskt ett system innefattande en över- föringsförbindelse och tva variabla transformatorer anord- nade mellan tva punkter anslutna till kraftnät enligt en utföringform av uppfinningen; Figur 5 C, D visar karakteristiska driftvärden för en växelströmskabelsträcka enligt teknikens ståndpunkt; och figur 5 A, B visar motsvarande driftvärden för en växel- strömsöverföringssträcka enligt en utföringsform av upp- finningen; Figur 6 visar ett system med tvà parallella växelströmsöver- föringskablar och två snabba brytare anslutna mellan tvà punkter A, B till kraftnät enligt en annan utföringsform av uppfinningen; Figur 7-12 visar karakteristiska driftparametrar beräknade kring en punkt i en växelströmsöverföringssträcka enligt en utföringsform av uppfinningen; Figur 13 visar schematiskt ett system med en överförings- förbindelse mellan tva punkter anslutna till kraftnät med användning av en HV-överföringskabel och endast en transfor- mator för ett stort omràde enligt en annan utföringsform av uppfinningen; ' Figur 14 visar schematiskt ett system innefattande en över- föringsförbindelse och àtminstone tre transformatorer anord- 10 15 20 25 30 35 rf\/ \I lfnJ ll nade mellan mer än två punkter, var och en ansluten till 031. kraftnät enligt en annan utföringsform av uppfinningen; Figur 15 visar schematiskt ett grafiskt användargränssnitt för att visa driftparametrar hos det beskrivna växelströms- överföringssystemet och/eller för att utföra ett eller flera förfaranden enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTPöRINGsFoRn/LER Figur la (teknikens ståndpunkt) visar en HVAC-överförings- kabel där den nominella driftspänningen V¿1är den samma vid båda ändarna av ledningen. Om den nominella driftspänningen vid varje ände inte är den samma, Vglä Vw, visas ett möjligt arrangemang enligt teknikens ståndpunkt i figur lb, där driftspänningen för kabeln är Vm_och en transformator är installerad vid ena änden av kabeln. Figur lc visar samma arrangemang förutom att den nominella driftspänningen för kabeln är Vfl. Om avståndet för växelströmsöverföring mellan terminalpunkterna är för stort kan HVDC-teknik användas, så- som visas i figur ld. Vid detta arrangemang enligt teknikens ståndpunkt övervinns problemet med reaktiva effektförluster genom likriktning från växelström till likström.

Figur 2 visar en utföringsform enligt föreliggande uppfin- ning. Det framgår genom att jämföra uppfinningen enligt figur 2 med arrangemangen enligt teknikens ståndpunkt som visas i figur la-d att kabelspänningen i systemet enligt uppfinningen inte nödvändigtvis måste vara den samma som den nominella driftspänningen V51,\ß2,hos anslutningspunkterna.

Driftspänning kan variera över ett stort område som inte nödvändigtvis är det samma som varken Vm_och/eller V52.

Driftspänningen hos kabeln kan variera under kraftöver- föringsdriften, och med koordinerad styrning av lindnings- kopplarna eller liknande i transformatorerna kan resistiva förluster minimeras, liksom också dielektriska förluster vilket skall beskrivas utförligare nedan. 10 15 20 25 30 35 f-Ûf! Ö^q4 Åse * u:J4 12 Figur 3 (teknikens ståndpunkt) visar en överföringsförbin- delse l anordnad mellan två punkter A, B, inklusive en växelströmskabel och tvà shuntreaktorer 2A, 23 för kompen- sation av reaktiv effekt.

Figur 4 visar en överföringsförbindelse 1 enligt en utför- ingsform av uppfinningen. Överföringsförbindelsen 1 är an- ordnad mellan två punkter A, B. Två transformatorer 3A, 33 med variabla varvförhållanden visas, en vid vardera änden av kabellängden.

När spänning regleras dynamiskt med målet att driva en kabelsträcka vid naturlig belastning under så stor del av tiden som möjligt kan shuntkompensation enligt teknikens ståndpunkt, såsom visas i figur 3, undvikas. Spänningen re- gleras med hjälp av två transformatorer 3A, 33, var och en med spänningsomvandling som varieras mellan 1:1 och typiskt 1:2 med hjälp av lindningskopplare. Eftersom den naturliga belastningen varierar enligt kvadraten på spänningen medger den variabla spänníngsomvandlingen att man kan variera den naturliga belastningen i intervallet från 25 till 100% av den naturliga belastningen vid den högsta spänningen för ut- rustningen. Förhållandena under låg belastning, t ex under en somarnatt i Sverige, är ungefär 1/4 av den maximala be- lastningen under en vinterdag, vilket i princip täcks av de antydda omsättningsförhållandena. Samtidigt är det möjligt att lägga till en fasvridande lindningskopplare för att öka förmågan att reglera aktiv effekt.

Lösningen enligt uppfinningen kan med fördel använda sig av spartransformatorer i de situationer där de nominella spän- ningsnivàerna mellan de två ändarna av kabelsträckan inte är särskilt stora. Förfaranden för att begränsa kortslutnings- strömmarna vid spänningsomvandlingar på 1:1 för en spar- transformator kan införas om detta befinns nödvändigt.

Ett problem vid befintliga överföringskablar är att våg- resistansen är relativt låg, vilket ger en hög naturlig belastning i förhållande till de kabeldiametrar som är 10 15 20 25 30 35 13 praktiska eller föredragna av tillverkningsskäl. Därför är det möjligt och skulle vara föredraget att påverka den naturliga belastningsnivàn hos kablar genom att reglera vàgresistansen hos kablarna till ett fördelaktigt värde.

Man kan vidare utföra delar av regleringen mellan högre och lägre spänningar i större steg med hjälp av en eller flera brytare, företrädesvis av snabb typ. Figur 4 visar schema- tiskt en annan utföringsform och ett system där det är möj- ligt att med tvà parallella kablar snabbt frànkoppla och àterkoppla en av kablarna vid uppträdande av transienter i kraftnätet.

Figur 6 visar tva parallella växelströmskablar, 4a, 4b, anordnade med snabbrytare 5A, 53 anslutna mellan tva punkter A, B. En spartransformator 3A, 35 visas vid vardera änden A, B av sträckningen. Vid varje spartransformator visas ett snabbt förbikopplingsorgan 7, 8. Dessa förbikopplingsorgan kan konstrueras för att klara av eventuella kortslutningar mellan lindningar som kan uppträda inom transformatorn pà grund av dessa kopplingsorgan. Liknande konstruktioner som för lindningskopplare kan bli nödvändiga. I de fall där spartransformatorn innefattar en lindningskopplare är det snabba förbikopplingsorganet ett elektromagnetiskt don anordnad att förbikoppla eller kortsluta ett eller flera uttag mycket snabbt. I de fall lindningskopplaren är av elektronisk typ, IGBT-baserad eller liknande, behövs inget snabbt förbikopplingsorgan. Delar av transformatorlindningen kan således förbikopplas för att snabbt kompensera änd- ringen. När man använder en transformator utrustad med en lindningskopplare tar de mekaniska rörelserna som behövs för att koppla mellan en punkt i lindningarna och en annan en ändlig tid.

Dessa förfaranden är ocksa användbara om effektflödet genom överföringskabelsträckan ökas eller minskas transient.

Spänningsnivàn hos kraftöverföringen kräver då en relativt snabb reglering till den nya effektnivàn. Den erforderliga reglersnabbheten är svär att uppnà vid elektromekaniska 10 15 20 25 30 35 çw F) Q» CU LJ ...å- 14 lindningskopplare. Det är fördelaktigt att för kabelförbind- ningssystemet använda elektroniska lindningskopplare, t ex IGBT, IGCT, GTO eller tyristorbaserade lösningar, sà att frànkopplingen och àterkopplingen kan utföras med tillfreds- ställande snabbhet.

Figur ll visar en växelströmsöverföringsförbindelse mellan tva punkter A, B' anslutna till kraftnät med användning av endast en transformator 3A för ett vidsträckt omràde. Vid den andra änden B' är kabelsträckan ansluten via en transformator 10 utan någon lindningskopplare till en eller flera elektriska maskiner som är elektriskt isolerade fràn resten av systemet, i detta exempel vindgeneratorer eller vindturbiner vid en vindkraftpark ll. Vid denna alternativa utföringsform reglerar transformatorn 3A vid nätänden A spänningen pà det sätt som beskrivs i denna beskrivning. Vid den andra änden styr de elektriska maskinerna i vindkraft- parken sin utspänningsnivà för att minimera förlusterna vid effektöverföringen mellan vindkraftparken ll och punkt A. En fördel med detta arrangemang är att kabelsträckan fràn t ex en vindkraftpark till ett elnät kan konstrueras för avstånd större än 50 km, köras med minimerade dielektriska och re- sistiva förluster och endas kräva anordnande av en lind- ningskopplarutrustad transformator 3A. Med hjälp av denna alternativa utföringsform av uppfinningen kan en vindkraft- park av en given MVA-uteffekt ge en mycket större netto- effekt än tidigare kända arrangemang levererade till kraft- nätet. Separat spänningsstyrning av varje vindturbin är möjlig med fullständiga strömriktare anslutna i serie med vindturbinen med hjälp av en dubbelmatad induktionsmaskin eller en synkrongenerator. Samordnad styrning mellan lind- ningskopplartransformatorn och de enskilda vindturbinerna är möjlig där en central dator beräknar den kabeldriftspänning som ger de lägsta förlusterna. Pà grund av varierande effektproduktion fràn vindkraftparken är det troligt att spännvidden är större än 1:1 till 1:2 hos lindningskopplar- transformatorn. 10 15 20 25 30 35 (1 ff) CJ* (D (3 _; 15 En andra källa till effektförluster i en kraftkabel är die- lektriska förluster, typiskt primärt beroende av värme- eller polarisationsförluster inom kabelisolationen. Här nedan följer ett exempel beräknat pá basis av en befintlig kraftöverföringskabel i Skandinavien.

Generellt sett är de dielektriska förlusterna ungefär pro- portionella mot kvadraten pà spänningen. Uppfinningen redu- cerar även dessa förluster genom att arbeta pà en lägre spänningsnivå. Detta kan pàvisas med hjälp av siffror pà ett enkelt sätt med hänvisning till en 400 kV massimpregnerad växelströmskabel mellan Sverige och ön Själland (Danmark) som ett exempel: Olje-papperskabel 420 kV driftspänning 870 MVA Överförd effekt 11,4 km läng 1200 A märkström Ledarförluster: 32,8 kW/km och fas, 85 grader Mantel- och armeringsförlusterz 34 kW/km och fas Dielektriska förluster: 8,4 kW/km och fas (se hänvisning [1] sida 340, ekvation 12.37, 12.39) 1. Antag att resistiva förluster i ledare och plàt är proportionella mot strömmen i kvadrat: IC = 2rgfCUo där Q är laddningsströmmen, f är systemfrekvensen, C är kabelkapacitansen och Uß (V) är spänningen fas-jord. 2. Laddningsförlusterna blir då (fràn [1]) 3 WH, =2 113%) .R 3 2 där WQ är laddningsförlusterna, och R är kabelns resistans.

Vid maximilast har vi 75,2 kW/fas, km förluster Detta ger en resistans av (32,8+34)/1200^2=0,0464 ohm Dà har vi för dagens tomgàngstillstànd: 10 15 20 25 30 35 16 Laddningsström = 17,5 A/fas Laddningsförluster = 2*l/3*l7,5^2*(1l,4/2)^3*0,0464 = 1754 kw, fas Dielektriska förluster = l1,4*8,4 = 95 kW/fas Kabeln alstrar 1l,4*l7,5*kvrt(3)*42O = 145 MVAr Detta motsvarar 1450 kW i SVC-förluster Ström i anslutningspunkten = l7,5*ll,4/2=l00 A/fas Samanlagda förluster vid tomgång = 6,9 MW Om vi reducerar driftspänningen fràn 420 till 300 kV får vi: Laddningsström = 12,5 A/fas Laddningsförluster = 2*l/3*l2,5^2*(ll,4/2)^3*0,0464 = 894 kW, fas Dielektriska förluster = ll,4f4.3 = 49 kW/fas Kabeln alstrar ll,4*12,5*kvrt(3)*300 = 74 MVAr Detta motsvarar 377 kW i SVC-förluster Ström i anslutningspunkten = l2,5*ll,4/2 = 71 A/fas Sammanlagda förluster vid tomgång = 3,2 MW Om vi reducerar driftspänningen vidare till 200 kV får vi: Laddningsström = 9,75 A/fas Laddningsförluster = 2*1/3*9,75^2*(1l,4/2)^3*0,0464 = 544 kW, fas Dielektriska förluster = l1,4*l,9 = 22 kW/fas Kabeln alstrar ll,4*9,75*kvrt(3)*200 = 39 MVAr Detta motsvarar 104 kW i SVC-förluster Ström i anslutningspunkten = 9,75*ll,4/2 = 56 A/fas Sammanlagda förluster vid tomgàng = 1,8 MW Besparingarna i effekt som inte längre behöver genereras för att mata de normala förlusterna vid tomgàng är uppenbart mycket stora. Detta exempel påvisar att en överföringskabel anordnad enligt uppfinningen skulle förbruka tomgángsförlus- ter pà endast omkring en tredjedel eller mindre av en be- fintlig överföringskabelsträcka.

Vid det uppfunna systemarrangemanget och förfarandet för styrning av spänningen kan de reaktiva effektflödena redu- ceras drastiskt, och báde resistiva och dielektriska för- 10 15 20 25 30 35 cfwa 'VJK 17 luster kan reduceras. Ett annat viktigt resultat är att de reducerade tomgàngsförlusterna komer att leda till en nagot kallare kabel. Detta kan antingen användas för att medge en temporär överbelastning i kabeln, dvs införa temperaturbe- roende dynamiska märkdata, eller i stället reducera specifi- kations- och därmed materialkostnaderna och tillverknings- kostnaderna för kabeln.

Den reaktiva effekten i detta exempel, tomgángstillstàndet, reduceras inte till noll och det kanske inte är praktiskt att reducera spänningen ytterligare än en miniminivá i andra verkliga fall. Vid làga belastningar kan spänningsoptime- ringen ocksà vara pà en minimispänningsnivà som inte är lika med noll, såsom den miniminivà som visas i figur 7.

Kabelsystemet kan innefatta en standardutrustning för växel- strömsöverspänningsskydd och avskärmning. Detta kan exempel- vis innehålla transponeringar och mantelsektionerande isola- torer monterade vid kablarna för att reducera strömmar in- ducerade i skärmarna. För att skydda mot kända störningar vid lànga växelströmsförbindelser, sàsom övertoner, kan systemet pà liknande sätt vara utrustat med ett hög- frekvensfilter sàsom för frekvenser pà runt 100 Hz eller mer.

Figur 14 visar en ytterligare utföringsform av uppfinningen där det uppfinningsenliga kabelöverföringssystemet innefatt- ar en tredje anslutningspunkt.

Förfaranden vid uppfinningen kan också praktiseras, utövas, övervakas och implementeras med hjälp av ett system för styrning innefattande ett system för kommunikation. Var och en av de tva transformatorerna 3A, 33 styrs och regleras pà en synkront och koordinerat sätt för att reglera drift- spänningen V hos växelströmsöverföringskabeln. Effektiv styrning möjliggörs genom snabbkomunikation av data och värden för spänning och andra parametrar fran och till styr- system eller komponenter för transformatorer placerade vid nàgon ände av växelströmsöverföringskabeln. Sàdana real- 10 15 20 25 30 35 “mf FWÖÅ vred u-Ua 18 tidsvärden för driftparametrar kan presenteras med hjälp av ett grafiskt användargränssnitt (Graphical User Interface, GUI), en grafik- eller textdisplay pà en operatörs arbets- station, som körs pà en användares inloggade dator, ansluten till ett lokalt, centralt, regionalt eller internationellt kraftnätstyrsystem, eller anslutas via en huvudkontroll- server eller lokal kontrollserver eller någon annan styr- systemdator.

Figur 15 visar schematiskt ett exempel pà ett grafiskt an- vändargränssnitt (GUI) för presentation av driftparametrar för det beskrivna växelströmsöverföringssystemet och/eller för att utföra ett eller flera förfaranden vid uppfinningen.

Figuren visar ett GUI 20, innefattande tva delar eller rutor 21, 22. Ruta 21 omfattar en schematisk framställning av tva variabla transformatorer, 23A, 233, vid vardera änden av en kabelsträcka 24, som motsvarar kabel 4 vid uppfinningen som visas i figur 4. GUI:n visar i ruta 21 värden sàsom en spän- ning 31 för spänningen i punkten B och temperaturer sàsom temperatur 30 för en temperatur hos en variabel transforma- tor 23A. GUI:n visar i ett annat fönster eller en annan ruta, sàsom ruta 22, en annan schematisk framställning för en del av ett nät eller för en anläggning. En display i form av ett träd 25 av Windows NT-typ innehàller nätinstallatio- ner och utrustningar, sàsom kabelsträckan A-B, 26, som här visas sàsom vald för àtkomst och som sàledes visas i detalj i den andra rutan 21. En operatör eller en process som körs i en dator kan använda GUI-gränssnittet och applikationen för att undersöka data och värden sàsom 30, 31 för en över- föringskabelsträcka A-B, särskilt en eller flera spänningar och temperaturer, och vidta en styràtgärd. Vid en föredragen utföringsform kan en av flera objektorienterade styrsystem- applikationer i det av ABB levererade Industrial IT-produkt- omradet användas för att tillhandahålla styr- och/eller övervakningsfunktioner, och de nödvändiga GUI-applikatio- nerna för att presentera, visa och generera sàdana relevanta styrätgärder. 10 19 Det bör noteras att medan det ovanstående beskriver exempli- fierande utföringsformer av uppfinningen finns det àtskill- iga variationer och modifikationer som kan göras av den be- skrivna lösningen utan att avvika fràn ramen för den före- liggande uppfinningen sàsom den anges i de bifogade patent- kraven.

Referenser [1] Anders, George J., Rating of electric power cables: ampacity calculations for transmission, distribution, and industrial applications. Sida 340-341. IEEE Press power engineering. ISBN O-7803-1177-9.

Claims (41)

10 15 20 25 30 35 20 PATENTKRAV

1. Kabelsystem (1) för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan tvà punkter (A, B), var och en an- sluten till ett eller flera kraftnät varvid àtminstone en transformator är anordnad vid vardera änden av en växel- strömsöverföringskabel, kännetecknat av att àtminstone en nämnd transformator (3A, 33) är anordnad med ett spännings- styrorgan med förmåga att driva transformatorn vid en spän- ning där förluster pà grund av reaktiv effekttransport mini- meras.

2. System enligt patentkrav l, kännetecknat av att systemet innefattar ett styrorgan för att driva nämnda system vid en optimal spänning beroende av vàgresistansen hos kabeln (Zfl och den momentana effektniván.

3. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att systemet innefattar ett styrorgan för att driva nämnda system vid en optimal spänning beroende av en momentan effektnivà lika med den naturliga belastningen (šgmuml) hos kabeln.

4. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att systemet innefattar ett styrorgan för att driva nämnda system vid en spänning där summan av de resistiva förlusterna, dielektris- ka förlusterna och laddningsförlusterna minimeras.

5. System enligt nagot av patentkrav l-4, kännetecknat av att styrorganet är anordnat för kommunikation med styrut- rustningar vid bada ändarna av nämnda växelströmsöver- föringskabel.

6. System enligt nàgot av patentkrav 1-5, kännetecknat av att styrorganet är anordnat med styrinstruktioner för drift av nämnda växelströmsöverföringskabel vid termiska överbe- lastningsförhàllanden under begränsade tidsperioder.

7. System enligt nàgot av patentkrav l-6, kännetecknat av att nämnda àtminstone en transformator är anordnad att arbe- 10 15 20 25 30 35 21 ta med ett brett förhállande mellan inspänning och utspän- ning pà mellan 1:1 och 1:2 eller mer.

8. System enligt nagot av patentkrav 1-6, kännetecknat av att spänningsstyrorganet i àtminstone en nämnd transformator (31, 35) är anordnad med en lindningskopplare.

9. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att spän- ningsstyrorganet är ett kraftelektronikdon som kan vara nagot i följande lista: IGBT, IGCT, GTO, tyristor, diod.

10. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att spän- ningsstyrorganet är en mekanisk lindningskopplare.

11. System enligt patentkrav 10, kännetecknat av att lind- ningskopplaren vidare kan vara en fasvridande lindningskopp- lare.

12. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att spän- ningsstyrorganet är inneslutet i en spartransformator.

13. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att spän- ningsstyrorganet är en spartransformator.

14. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda åtminstone en transformator är anordnad att begränsa kort- slutningsströmmarna.

15. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att systemet är utrustat med ett högfrekvensfilter.

16. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda àtminstone en transformatorlindning kan vara anordnad för snabb kortslutning av en del av transformatorlindningarna.

17. System enligt patentkrav 1, kânnetecknat av att kabel- sträckan kan innefatta en eller flera parallella kablar (4a, 4b) för varje fas, där varje kabel är anordnad för snabb frànkoppling och omkoppling. 10 15 20 25 30 35 rf fa (Ü i J' -..x x k» t... \/ 22

18. System enligt patentkrav 18, kännetecknat av att kabel- systemet kan innefatta en eller flera brytare (SA, 53) anord- nade för snabb frànkoppling och omkoppling.

19. System enligt patentkrav 18, kännetecknat av att kabel- systemet kan innefatta en eller flera förbikopplingsanslut- ningar (7,8) för lindningskopplare.

20. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att en eller flera växelströmsöverföringskablar kan vara en olje- och pappersisolerad kabel.

21. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda en eller flera växelströmsöverföringskablar kan vara en XLPE-isolerad kabel.

22. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att systemet kan vara utrustat med ett eller flera överspänningsskydd, fas-fas, fas-jord, beroende pà kabeln.

23. System enligt patentkrav l, kännetecknat av att kabel- systemet kan vara utrustat med ett eller flera sätt att skydda manteln fràn överspänning.

24. System enligt patentkrav l, kännetecknat av att kabel- systemskärmen kan vara utrustad med transponerande och mantelsektionerande isolatorer som reducerar strömmar inducerade i skärmen.

25. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av att ena änden av kabelsträckan kan vara ansluten till en eller flera elektriska maskiner (ll) isolerade fran det övriga systemet.

26. System enligt patentkrav 25, kännetecknat av att en transformator (10) anordnad närmast de elektriska maskinerna (ll) har ett fast omsättningsförhàllande eller är utrustad med enbart vilolägeslindningskopplare. 10 15 20 25 30 35 23

27. System enligt patentkrav 25, kännetecknat av att spän- ningsreglering av maskinerna (ll) styrs enligt samma natur- liga belastning och principer gällande minimiförluster som om den skulle tillämpas på en lindningskopplare.

28. Förfarande för styrning av ett kabelsystem för över- föring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan två punkter (A, B) anslutna till ett eller flera kraftnät där åtminstone en transformator (3A, 33) är anordnad vid vardera änden av en växelströmsöverföringskabel (4), kännetecknat av att kabeln drivs med en variabel spänning (V) som kan skilja sig från en spänning hos nämnda ett eller flera kraftnät.

29. Förfarande enligt patentkrav 28, kännetecknat av att spänningen regleras beroende av en funktion av den naturliga belastningen hos en nämnd växelströmsöverföringskabel, och att sålunda nivån hos reaktiv effekt som överförs till något av nämnda ett eller flera kraftnät styrs.

30. Förfarande enligt patentkrav 28, kânnetecknat av att spänningen regleras beroende av den naturliga belastningen varvid förluster på grund av resistiva, dielektriska effek- ter minimeras.

31. Förfarande enligt patentkrav 30, kännetecknat av att spänningen regleras under tomgàngsförhållanden så att för- luster reduceras medan man bibehåller spänningen över en lägre, minimispänningsnivå beroende av systemförhållandena.

32. Förfarande enligt patentkrav 30, kännetecknat av att spänningen regleras under förhållanden med låg belastning så att förluster reduceras medan man bibehåller spänningen över en lägre, minimispänningsnivà beroende av systemförhållan- dena.

33. Förfarande enligt patentkrav 28, kännetecknat av att spänningen regleras delvis beroende av en ekvation av formen: lO 15 20 25 30 35 24 v = Zv 'Pnflual där V är spänning, Zv är den verkliga delen av vägresis- tansen och PmÉufi_är det aktuella aktiva effektflödet.

34. Förfarande enligt patentkrav 28, kännetecknat av att spänningen regleras beroende av termiska överbelastnings- gränser för överföringskabeln (4) under begränsade tids- perioder.

35. Förfarande enligt patentkrav 28, kännetecknat av att man snabbt frankopplar och äterkopplar försörjningen till och fràn àtminstone tvà överföringskablar (4a, 4b).

36. Förfarande enligt patentkrav 28, kännetecknat av att spänningen regleras av mer än en nämnd transformator (3A, 33) vilka drivs synkront med varandra.

37. Användning av ett kabelsystem för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan tva punkter (A, B) enligt patentkrav 1-27 som kraftmatare för större, tättbe- folkade stads- eller förstadsomràden.

38. Användning av ett kabelsystem för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft över ett avstånd mellan tva punkter (A, B) enligt patentkrav 1-27, där en del av sträckan passerar över vatten.

39. Användning av ett kabelsystem för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan tva punkter (A, B) enligt patentkrav 1-27, där en punkt innefattar en eller flera elektriska maskiner isolerade fràn ett elektriskt kraftnät.

40. System för kommunikation och styrning för ett kabelsys- tem för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan tvà punkter (A, B) anslutna till ett eller flera kraftnät, där snabba datakommunikationsorgan är anord- nade för kommunikation med styrutrustning för àtminstone en 10 15 25 transformator (3A, 33) anordnad vid åtminstone ena änden (A, B) av en växelströmsöverföringskabel (4).

41. Grafiskt användargränssnitt (20) för styrning av ett kabelsystem för överföring av högspänd växelström för att överföra kraft mellan tva punkter (A, B) anslutna till ett eller flera kraftnät, där àtminstone en transformator (3A, 35) är anordnad vid vardera änden av en växelströmsöver- föringskabel (4), kännetecknat av åtminstone en objektorien- terad applikation för att presentera data, parametervärden och styràtgärder för driftparametrar (30, 31) hos kabelsys- temet för växelströmsöverföring och/eller ett styrsystem för àtminstone en transformator (3A, 33).