Examensarbete - Kungälv Energi

EXAMENSARBETE Högskoletekniker med inriktning mot elkraft (TGEAT) Institutionen för ingenjörsvetenskap

2011-05-27

Lokal kompensering av kapacitiv jordfelsström. Andreas Lundell Jakob Kadesjö

EXAMENSARBETE

i

Lokal kompensering av kapacitiv jordfelsström.

Sammanfattning

Allt eftersom att kraven på driftsäkerhet ökar väljer företagen att kablifiera

mellanspänningsnätet på landsbygden. Detta medför problem med kapacitiva

jordfelsströmmar, då de ökar kraftigt vid kablifiering. För att följa föreskrifter måste dessa

strömmar kompenseras bort. Kompenseringen görs med hjälp av en spole som genererar

en induktiv ström, vilket är i motsatt rikting mot nätets kapacitiva jordfelsström.

Kompenseringen kan ske med hjälp av två metoder, antingen med central kompensering i

fördelningsstationen eller med lokal kompensering i nätstationen på utgående ledningar

från fördelningsstationen. Författarna bakom denna rapport har fått i uppdrag av Kungälv

Energi AB att ta fram förslag på placering av reaktorer för lokal kompensering. Rapporten

beskriver grundläggande teorier som bör kännas till, förklaring på olika kompenserings-

metoder och tillvägagångssätt för att komma fram till optimal placering. Resultatet av

denna rapport blev ett förslag till placering av tre reaktorer ämnade för lokal kompensering.

Datum: 2011-05-27 Författare: Andreas Lundell, Jakob Kadesjö Examinator: Ulf Sandberg, Högskolan Väst, [email protected] Handledare: Gert Risberg, Kungälv Energi AB Program: Elanläggningsteknik Huvudområde: Elektroteknik Utbildningsnivå: Grundnivå Poäng: 15 högskolepoäng Nyckelord: Kapacitiv, Jordfelsström, nollpunktsreaktor, kompensering, lokal kompensering Utgivare: Högskolan Väst, Institutionen för ingenjörsvetenskap,

461 86 Trollhättan Tel: 0520-22 30 00 Fax: 0520-22 32 99 Web: www.hv.se

mailto:[email protected]

BACHELOR’S THESIS

ii

Local compensation of capacitive earth fault current

Summary

As the requirements for reliability increases, the companies choose to wire medium voltage

network in rural areas. This entails that the problem of capacitive earth fault currents is

increasing sharply. Comply with regulations; the capacitive earth fault currents must be

compensated. The compensation is done with a coil that generates a current in opposite

direction to the networks capacitive earth fault currents. The compensation can be done in

two ways, one is central compensation in the distribution station, and the second one is a

local compensation of the substation out of line. The writers behind this report have been

requested of Kungälv Energi AB to make suggestions on placement of reactors for local

compensation. The report describes some basic theories that should be known, explanation

of various compensation methods and procedure to come up with optimal position. The

result was a proposal to deploy three reactors for compensation on a power line.

Date: May 27, 2011 Author: Andreas Lundell, Jakob Kadesjö Examiner: Ulf Sandberg, Högskolan Väst, [email protected] Advisor: Gert Risberg, Kungälv Energi Programme: Power System Technology Main field of study: Electrical Engineering Education level: first Credits: 15 HE credits Keywords Capacitive, Local compensation, neutral reactor, Ground fault current Publisher: University West, Department of Engineering Science,

S-461 86 Trollhättan, SWEDEN Phone: + 46 520 22 30 00 Fax: + 46 520 22 32 99 Web: www.hv.se

mailto:[email protected]

Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät

iii

Förord

Detta Examensarbete vid Högskolan Väst har utförts på uppdrag av Kungälv Energi AB.

Vi vill tacka Kungälv Energi AB för visat förtroende.

Ett speciellt tack till:

Gert Risberg, Kungälv Energi AB

Magnus Hermansson, Kungälv Energi AB

Göran Sandberg, Kungälv Energi AB

Ulf Karle, Kungälv Energi AB

Arne Berlin, Vattenfall Power Consulting/ Högskolan Väst.


iv

Innehåll

Sammanfattning ................................................................................................................................. i

Local compensation of capacitive earth fault current ................................................................. ii

Summary ............................................................................................................................................. ii

Förord ................................................................................................................................................ iii

Nomenklatur ..................................................................................................................................... vi

1 Inledning ...................................................................................................................................... 1 1.1 Bakgrund/problembeskrivning ...................................................................................... 1 1.2 Kungälv Energi AB ......................................................................................................... 1 1.3 Syfte/ mål/avgränsningar ............................................................................................... 1

2 Bakgrundsteori ............................................................................................................................ 2 2.1 Jordfelsströmmar ............................................................................................................. 2 2.2 Kompensering av jordfelsströmmar.............................................................................. 3

2.2.1 Central kompensering ........................................................................................ 4 2.2.2 Lokal kompensering ........................................................................................... 4

2.3 Starkströmsföreskrifter .................................................................................................... 6

3 Olika typer av utlokaliserade spolar ......................................................................................... 7 3.1 Utanpåliggande spole ....................................................................................................... 7 3.2 Transformator med inbyggd spole ................................................................................ 8 3.3 Hexaformer transformator med inbyggd spole ........................................................... 8

4 Tillvägagångssätt ......................................................................................................................... 9 4.1 Steg 1, avstämning av nollpunktsreaktorer ................................................................... 9

4.1.1 Resultat .............................................................................................................. 10 4.1.2 Analys ................................................................................................................. 10

4.2 Steg 2, nätberäkningar ................................................................................................... 10 4.2.1 Metod 1 Facilplus ............................................................................................. 11 4.2.2 Metod 2 Manuella beräkningar ....................................................................... 11

4.3 Jämförelse av resultat ..................................................................................................... 12 4.4 Kompenseringsbehov vid reservmatning ................................................................... 12

5 Förslag till kompensering ........................................................................................................ 13 5.1 Nätstation, 6038 Silversväg ........................................................................................... 13 5.2 Nätstation, 5092 Norra Aröd ....................................................................................... 14 5.3 Nätstation, 6053 Kolekärr ............................................................................................ 14

6 Resultat ...................................................................................................................................... 14 6.1 Driftomläggning ............................................................................................................. 14 6.2 Ekonomi .......................................................................................................................... 14

7 Slutsats ....................................................................................................................................... 16

Källförteckning ................................................................................................................................ 17

Bilagor

A. L604

B. Reservmatning

C. Områden för kompensering


v

D. Kabeldata


vi

Nomenklatur

𝐼0𝑐 Ledningens kapacitiva tomgångsström (A)

𝐼𝑐𝑗 Kapacitiv jordfelsström, i detta fall 𝐼𝑐𝑗 = 3 ∙ 𝐼0𝐶

𝐼𝑟𝑗 Nollpunktsmotståndets ström (A)

𝐼𝑥𝑗 Nollpunktsreaktorns ström (A)

𝐼𝑗 Totala jordfelsströmmen (A)

𝑋𝑛 Nollpunktsreaktor

𝑅𝑛 Nollpunktsmotstånd


1

1 Inledning

Denna rapport beskriver ett arbete om lokal kompensering av kapacitiva

jordfelsströmmar i 10 kV nätet ägt av Kungälv Energi AB.

1.1 Bakgrund/problembeskrivning

Allt eftersom kraven på leveranssäkerheten ökar väljer energibolagen att övergå från

luftledning till markkabel i mellanspänningsnäten på landbygden. Detta görs för att

vädersäkra nätet. Markkabel är inte känslig för vädrets påverkan, då den ligger

skyddad i marken. Med denna metod fås ett mer driftsäkert nät jämfört med

luftledning som vid till exempel stormar ofta drabbas av driftstörningar.

När kablifieringen av näten ökar, framför allt på landsbygden, ökar också de

kapacitiva jordfelsströmmarna kraftigt. Jämfört med en luftledning genererar en

markkabel upp till 50 gånger högre kapacitiv ström.

För att följa starkströmsföreskrifterna (se stycke 2.2) måste dessa strömmar

kompenseras för att begränsa beröringsspänningen som kan uppstå i jordade delar vid

jordfel. På Kungälv Energi AB sker denna kompensering med nollpunktsreaktorer ute

i fördelningsstationerna.

1.2 Kungälv Energi AB

Kungälv Energi AB är ett kommunalt energibolag i Kungälvs kommun. Bolaget har

tre affärsområden, Elnät, Värme och Bredband. El-distributionsområde innefattar

Kungälvs Kommun (utom Marstrand), Jörlanda i Stenungsunds kommun och

Torskog i Lilla Edets kommun. Kungälv Energis nät är anslutet till Vattenfalls

överliggande regionnät via två mottagningsstationer, M1 i Kungälv och M9 i Rollsbo.

I dessa stationer transformeras regionledningens spänning på 130 kV ned till 10- och

20 kV. Kungälv Energi AB har fem stycken fördelningsstationer (M2-M6) som matas

med ett 20 kV slingnät. Transformeringen i dessa stationer är 20/10 kV.

1.3 Syfte/ mål/avgränsningar

Detta examensarbete går ut på att dimensionera nollpunktsreaktorer ute i

fördelningsstationerna, samt utplacering av reaktorer för lokal kompensering av

kapacitiva jordfelsströmmar. Hänsyn ska tas till framtida utbyggnad och reserv-

matning. Med rätt placerade reaktorer skall omkoppling mellan fördelningsstationerna

inte innebära något behov av justering av nollpunktsreaktorerna i fördelnings-

stationern. Målet är att se över nätet från fördelningsstationen M6 i Kode.

Steg ett - beräkna och analysera vilken sträcka som genererar störst kapacitiv

felström.


2

Steg två - undersöka optimal placering av lokal kompensering.

Rapporten innehåller inte några djupare ekonomiska aspekter. Någon geografisk

planering av kabelförläggning kommer inte göras.

2 Bakgrundsteori

Kapitlet beskriver grundläggande teorier som är nödvändig att känna till för att förstå

denna rapport.

2.1 Jordfelsströmmar

Varje isolerad ledare placerad i närheten av jord erhåller en kapacitiv koppling likt en

kondensator [9]. Detta medför att det kommer flyta en kapacitiv tomgångsström (𝐼0𝑐)

i ledningen oberoende om ledningen är belastad eller ej, se Figur 2.1.

Figur 2.1. Figuren visar de kapacitiva tomgångsströmmarna vid normal drift.

Storleken på den kapacitiva tomgångsströmen för markkabel kan beräknas med

samband (1)

𝐼0𝑐 = 𝜔𝐶𝑈𝑓 (1)

Där

𝜔 = 100𝜋

𝐶 = 𝑙𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑠

𝐼0𝑐 för luft ledning räknas ut med sambandet nedan

𝐼0𝑐 = 𝑈ℎ𝐿

300 (2)

Där

𝑈ℎ = ℎ𝑢𝑣𝑢𝑑𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑖 𝑘𝑉

𝐿 = 𝑘𝑎𝑏𝑒𝑙𝑙ä𝑛𝑔𝑑𝑒𝑛 𝑖 𝑘𝑚

𝐼0𝑐

𝐼0𝑐

𝐼0𝑐


3

Vid ett jordfel i en markkabel blir den kapacitiva jordfelsströmmen (𝐼𝑐𝑗) tre gånger

större än den kapacitiva tomgångsströmen.

2.2 Kompensering av jordfelsströmmar

Storleken på jordfelsströmmen i ett icke direktjordat nät bestäms av nätets kapacitiva

koppling samt systemets nollpunktskoppling till jord. För att minska den kapacitiva

jordfelsströmmen i nätet ansluts en nollpunktsreaktor (𝑋𝑛) till transformatorns

nollpunkt. Vid ett jordfel genererar nollpunktsreaktorn en ström (𝐼𝑥𝑗) i motsatt

riktning mot nätets kapacitiva jordfelsström (Figur 2.2). Detta medför att den totala

resulterande jordfelsströmmen 𝐼𝑗 minskar kraftigt [3].

Normalt finns ett motstånd (𝑅𝑛) inkopplat parallellt med 𝑋𝑛, för att generera

tillräckligt stor utlösningsström så att reläskydden ska kunna detektera fel [8]. 𝑅𝑛

genererar en aktiv ström (𝐼𝑟𝑗) som också matas mot felstället. Följden av 𝐼𝑥𝑗 och 𝐼𝑟𝑗

blir att jordfelsströmmen genom felstället minskar.

Figur 2.2. Schemat visar de olika strömmarna vid jordfel.

Den resulterande jordfelsströmmen efter kompensering kan beräknas med följande

samband (3).

𝐼𝑗 = √𝐼𝑟𝑗2 + (𝐼𝑐𝑗 − 𝐼𝑥𝑗)

2 (3)

𝐼0𝑐 𝐼0𝑐

𝐼𝑐𝑗 = 3 ∙ 𝐼0𝑐

𝑋𝑛 𝑅𝑛 𝐼𝑗

𝐼𝑥𝑗 𝐼𝑟𝑗


4

2.2.1 Central kompensering

Med central kompensering menas att reaktorn är placerad i fördelningsstationen.

Reaktorn, också kallad Petersénspole, är parallellkopplad med ett nollpunktsmotstånd.

Reaktorn är en variabel reaktans som ställs in manuellt eller automatiskt beroende på

typ.

En manuell reaktor ställs in för hand genom att på plats skruva på regleranordningen

med hjälp av en vev. Automatisk inställbar reaktor känner av nätets kapacitiva bidrag

och ställer in sig automatiskt efter nätets behov. Kungälv Energi AB använder i

dagsläget central kompensering i fördelningsstationerna. Reaktorerna som används är

manuella och måste därmed manövreras på plats.

2.2.2 Lokal kompensering

Allt eftersom markkabelnätet ökar räcker inte befintliga central kompensering till.

Istället för att köpa in en ny större nollpunktreaktor för central kompensering kan

metoden med lokal kompensering tillämpas.

Lokal kompensering innebär att en spole motsvarande 10 – 15 A induktiv

kompenseringsström placeras ut i distributionstransformatorns nollpunkt på

högspänningssidan.

Rent teoretisk skulle metoden med lokal kompensering kunna ersätta den befintliga

centrala kompenseringen. Lokal kompensering fungerar i praktiken som ett

komplement till den befintliga centrala kompenseringen.

Det finns två huvudmotiv till varför lokal kompensering används:

Minska 𝐼𝑟-strömmen vid långa markkabellängder

Stabilisera reglering av kompensering vid sektionering

Enligt en analys som gjorts i examensarbetet skrivet av Lars Andersson [2], är det inte

gynnsamt att placera spolarna nära fördelningsstationen. Genom att istället placera

spolarna längre ut på ledningen kan ”transportsträckan” av 𝐼𝑟-stömmen minska.

Om ett fel uppstår långt ut på en ledning och ingen lokal kompensering finns, blir

transportsträckorna av den reaktiva kompenseringsströmmen långa. Detta orsakar

aktiva förluster i nätet vilket försämrar känsligheten hos nollspänningsskydden.

Varje utlokaliserad nollpunktsreaktor antas ha ett nollföljdsförhållande (R/X) som är

2 – 2,5 %. Detta medför att varje utlokaliserad nollpunktsreaktor ger ett tillskott på

aktiv ström. Denna aktiva ström kan oftast försummas eftersom

”transportsträckorna” är för korta för att visa någon effekt. Lars Anderssons [1]

studier visar också att:

”en utledning inte ska kompenseras fullt ut. En underkompensering på cirka 20 A är det

ideala”.


5

Med underkompensering menas att ledningen inte kompenseras fullt ut från

fördelningsstationen. De första 20 Amperen kompenseras centralt medans resterande

kompenseras med utlokaliserade reaktorer. se Figur 2.3.

Figur 2.3 visar principen med underkompensering av en ledning.

En stor fördel med lokal kompensering är att sektioneringsområdet blir själv-

kompenserande, vilket innebär att nollpunktsreaktorn i matande fördelningsstation

inte påverkas.

Carl Evaldsson har i sitt examensarbete [3] kommit fram till två egenskaper för att

lokal kompensering ska kunna användas på ett så ekonomiskt och problemfritt sätt

som möjligt. Dessa egenskaper är:

”Effektbehovet för stationen ska helst inte överstiga 100 kVA”

”Reaktorn ska helst inte placeras i en station som matas av luftledning. Luftledningen är

störningskänsligare och där med är det större risk att reaktorn försvinner ur nätet om en

storm skulle inträffa.”

Anledningen till att effektbehovet inte bör överskrida 100 kVA är att det inte är

ekonomiskt försvarbart för företaget att köpa in större transformator då prisskillnaden

är stor.

Området för underkompensering, 20 A

10 A 10 A 20/10 kV

Nollpunktsutrustning i fördelningsstationen

Distributionstransformator med 10 A spole för kompensering

Område för lokal kompensering


6

2.3 Starkströmsföreskrifter

Enligt Kap 5 § 6 [1] finns inget krav på bortkoppling för endast markkabel i nät med

25 kV nominell spänning. Men krav på automatisk signalering finns.

Enligt Kap 5 § 4 - 5 [1] ska frånkoppling vara säkerställd, beroende på ledningstyp, för

resistansvärden 3000 respektive 5000 ohm.

I tabell 2.4 [1] visas högsta tillåtna spänningssättning av utsatta delar och längsta tid

innan automatisk frånkoppling av anläggningen.

Tabell 2.4 Högsta tillåtna värden vid spänningssättning av jordade delar [1].

Anläggningsdel Högsta tillåtna värden vid enpoligt jordslutning

Frånkoppling automatiskt

inom

Signalera

automatiskt

2 Sekunder 5 sekunder

Skyddsledare och PEN-ledare

som tillhör något annat

ledningssystem anslutet över

transformator i vilket en punkt

är direkt jordad (TN-system)

- vid gemensam jordning 100 V 100 V 50 V

- vid skilda jordningar 200 V 200 V 100 V

Utsatta dela i driftrum eller på

sådana platser där människor

ofta vistas

400 V 300 V 100 V

Övriga delar 800 V 600 V 200 V

Eftersom Kungälv Energi AB nät är samjordat kan ur Tabell 2.4 fås att högsta

spänning vid enpoligt jordfel inte får överskrida 100 V. Som nämnts tidigare måste

den kapacitiva jordfelsströmmen kompenseras för inte spänningen ska överskrida 100

V. Ur sambandet nedan kan det ses att beröringsspänningen är beroende av storleken

på strömmen genom felstället och jordtagets resistans.

𝑈𝑗 = 𝑅𝑗 ∙ 𝐼𝑗

Beröringsspänningen är alltså den potentialskillnad som kan uppstå mellan jordade

och ojordade delar. Till exempel mellan spisen och diskbänken i köket.

Genom att kompensera bort delar av strömmen kan en högre resistans i jordtaget

tillåtas utan att spänningen överskrider maxvärdet.


7

3 Olika typer av utlokaliserade spolar

Detta kapitel behandlar tre olika utföranden av lokal kompenseringsutrustning. De tre

utförandena är transformator med utanpåliggande spole, transformator med inbyggd

spole och Hexaformer-transformator med inbyggd spole. Transformatorerna med

lokal kompenseringsutrustning finns i storlekarna 50 kVA – 315 kVA. De flesta

fabrikaten som erbjuder distributionstransformatorer för lokal kompensering har en

inbyggd Petersénspole.

3.1 Utanpåliggande spole

En äldre variant av reaktor är nollpunktsinduktor [8]. Denna typ av reaktor består av

en luftisolerad kopparspole monterad mellan två gavlar av isolermaterial.

Transformatorn har ingen järnkärna och ingen deltalindning, vilket medför sämre

elektriska egenskaper.

Reaktorn kopplas till högspänningssidans nollpunkt i en transformator med

kopplingstyp YNzn [8]. Nackdelen med denna reaktor är att vid ett isolationsfel blir

systemet direktjordat och jordfelsströmmen ökar då kraftigt, från cirka 10 A till 5-10

kA. Bild 3.1 visar hur en nättransformator med inkopplad nollpunktsinduktor ser ut.

Bild 3.1 bilden visar en nättransformator med inkopplad nollpunktsinduktor. Nollpunktsinduktorn är den röd-gula spolen till vänster i bilden.


8

3.2 Transformator med inbyggd spole

En distributionstransformator med inbyggd spole bygger på principen med en trebent

transformator där en Petersénspole kopplas mellan transformatorns nollpunkt och

jord på högspänningssidan.

Det finns två huvudfabrikat som rapporten beskriver. Det är transformatorer med

inbyggd spole från ABB och Transfix. Transformatorer med inbyggd spole från

Transfix har en inbygg deltakopplad utjämningslindning med kopplingstyp Znyn.

Utjämningslindningen, även kallad deltalindning, används för att sänka

nollföljdsimpedansen i transformatorn.

Transfix har även en inbyggd högspänningssäkring, vilket gör transformatorn

självskyddande. Spolen ger ett lågt bidrag av aktiv ström. Transformator med inbygg

spole, från Transfix, finns i storlekarna 100- och 200 kVA. ABB har en transformator

med liknande lösning.

3.3 Hexaformer transformator med inbyggd spole

Kungälv Energi AB har valt att köpa in tre transformatorer av märket Hexaformer.

Hexaformer är en oljeisolerad 3-fas transformator med inbyggd Petersénspole,

konstruktionen av transformatorn skiljer sig från andra tillverkar med sin udda

konstruktion[7].

Spolarna som används är 10 A för 11 kV system och 15 A i 22 kV system [7].

Transformatorns finns i utförande från 100 kVA – 315 kVA. Transformatorn har ett

R/X förhållande på <2,5 % [7].

Transformatorn är tringelformad och är av kopplingstyp ZNzn (se figur 3.2), vilket

medför att utjämningslindning i Petersénspolen inte behövs [7]. Fördelen med den här

konstruktionen är att nollpunkten på primärsidan förblir stabil även vid ojämn

belastning mellan faserna på sekundärsidan [7]. Petersénspolen blir endast aktiv vid

jordfel på högspänningssidan.

Figur 3.2. visar uppbyggnad av Hexaformers transformator med inbyggd 10 A Petersénspole. [7]


9

4 Tillvägagångssätt

Två steg har används för att komma fram till optimal placering av nollpunkts-

reaktorerna. Första steget är avstämning av nollpunktsreaktorer i fördelnings-

stationerna. Syftet med avstämningen är att få rätt avstämda nollpunktsreaktorer samt

få en tydlig bild på vilken fördelningsstation som är högst belastad av kapacitiva

jordfelsströmmar. Steg två är nätberäkningar. Nätberäkningarna görs på

fördelningsstationens utgående ledningar.

4.1 Steg 1, avstämning av nollpunktsreaktorer

Vid avstämning av centrala nollpunktreaktorer utnyttjas den befintliga

driftosymmetrin vilket främst uppkommer vid olika steg på nollpunktsreaktorn.

Denna spänning bildar en resonanskurva där nollpunktsspänningen är en funktion av

reaktorströmmen. När reaktorn är avstämd mot nätets kapacitiva jordfelsström fås en

resonanspunkt. För att få en tydligare resonanspunkt kan nollpunktsmotståndet

kopplas ur under mätningen.

Figur 4.1 diagrammet visar typisk resonanskurva.

En annan metod för att ställa in nollpunktreaktorn är att beräkna den optimala

inställningen, metoden bygger på att en ströminjiceringsutrustning används i

nollpunkten för att injicera en ström och därmed förändrar nätets symmetri. Genom

att mäta ström och spänningsförändring vid injicering kan resonanspunkten beräknas

fram. Denna metod har inte används då ströminjiceringsutrustning inte fanns att tillgå

på Kungälv Energi AB.

0,76

0,78

0,80

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

47 48 49 50 51 54 56 57 58 59 60

U0

Inställt strömvärde på central nollpunktsreatorn [A]

Serie1

Resonanspunkt


10

Det inställda värdet på reaktorn bör ligga några Ampere från resonanspunkten, detta

för att få en liten snedavstämning. Snedavstämning innebär alltså att reaktorn inte är

helt inställd efter nätets behov. Ur detekteringssynpunkt krävs en viss snedavstämning

för att inte nollföljdsspänningen ska bli för liten för att reläskydden ska kunna

detektera fel. Resultatet efter avstämning visas i Tabell 4.1.

4.1.1 Resultat

Tabell 4.1 visar värden på reaktorstorlek och inställt värde efter avstämning utförd genom mätningar på reaktorerna.

Station Inställt värde [A] Reaktorstorlek

[A]

M1-T1 68 126

M1-T2 >80 80

M1-T3 49 126

M2 22 63

M3 89 126

M4 54 63

M5 48 63

M6 >63 63

M9-T1 57 80

M9-T2 31 80

4.1.2 Analys

Avstämningen visar att nollpunktsreaktorn i fördelningsstationerna M6 i Kode och

M1-T2 i Kungälv är inställd på ett värde större än reaktorns storlek. M1-T2 är

planerad att bytas ut mot en större reaktor. För att undgå byte av reaktorn i

fördelningsstation M6 kommer lokal kompensering av utgående ledningar från M6

tillämpas. Rapporten kommer här efter att behandla utgående ledningar från M6.

4.2 Steg 2, nätberäkningar

Detta kapitel behandlar två metoder som används vid nätberäkningar. Metod ett

utfördes med hjälp av programmet Facilplus, metod två gjordes med manuella

beräkningar. Utgående mellanspänningsnät från fördelningsstationen M6 består av

fyra stycken ledningar, L601-L604. Varje ledning består i sin tur av ledningssträckor

med olika förläggningssätt och kabeltyper.


11

4.2.1 Metod 1 Facilplus

För att utföra beräkningar på nätet använder sig Kungälv Energi AB av programmet

Facilplus. Där fås bland annat information om geografisk placering av ledningsnätet,

kabellängder, kabeltyper, förläggningssätt samt nätstationens typ och utförande.

Facilplus gör nätberäkningar med hänsyn tagen till bland annat kabeltyp, förläggnings-

sätt och spänningsnivå. Resultatet efter gjorda beräkningar i Facilplus redovisas i

Tabell 4.2

4.2.1.1 Resultat

Tabell 4.2 visar vad varje ledning ut från fördelningsstationen M6 genererar i kapacitiv jordfelsström samt det totala värdet.

Ledning 𝐼𝑐𝑗 [A]

L601 20.5

L602 3.9

L603 6.6

L604 40.1

Totalt 71.1

4.2.1.2 Analys

Som tabell 4.2 visar är den totala kapacitiva jordfelsström för fördelningsstationen M6

71.1 A. Det höga kapacitiva bidraget beror på att stor del av ledningarna är utförd

som markkabel. Som kan ses ur tabellen är L604 den ledning som genererar högst

kapacitiva jordfelsström, 40,1 A, detta beror på att stor del av ledningen, 18.2 km, är

utförd som markkabel.

4.2.2 Metod 2 Manuella beräkningar

För manuella beräkningar används samband (1, 2). Hänsyn vid manuella beräkningar

är tagen till kabeltyp, kabelarea, förläggningssätt och driftspänning. Beräkningar valdes

att göras på ledning L604 då den genererar högst kapacitiva jordfelsström enligt

tidigare analys. Fabrikatet på kablarna som används vid manuella beräkningar är

Ericsson och Prysmian [4-6], kabeldata visas i Bilaga D. Resultatet av beräkningarna

vid driftspänning 10.7 kV redovisas i tabell 4.3.


12

4.2.2.1 Resultat

Tabell 4.3 visar L604 totala längd och totala kapacitiva strömbidrag.

Ledning Total längd [km] Totalt 𝑰𝒄𝒋 [A]

L604 36,3 41,4

4.2.2.2 Analys

Efter gjorda manuella beräkningar på ledning L604 kan det konstateras att resultatet

av beräkningarna inte helt stämmer överens med resultatet från beräkningar med

Facilplus.

4.3 Jämförelse av resultat

När metoderna jämfördes konstaterades det att resultatet inte helt stämmer överens.

(se tabell 4.4). Vidare studier gjordes då i Facilplus. Vid beräkningar i Facilplus

används en märkspänning som är satt till 10,5 kV, verkliga driftspänningen på

Kungälv Energi AB är 10,7 kV. Resultatet av beräkningarna i Facilplus blir då något

felaktiga. Metod 2 är där med att föredra.

Tabell 4.4 visar resultatet av uträkningar på ledning L604.

Beräkningsmetod 𝑰𝒄𝒋 för ledning L604

[A]

Metod 1 40,1

Metod 2 41,4

4.4 Kompenseringsbehov vid reservmatning

För att få ett självkompenserande nät måste hänsyn tas till frånskiljningspunkter i

nätet [8]. Placering bör ske mellan två frånskiljningspunkter och storleken på

mellanliggande nät bör generera en total kapacitiv jordfelsström som motsvarar

storleken på den utlokaliserade spolen.

Detta medför att vid reservmatning från en annan fördelningsstation kommer inte

grundinställningarna påverkas hos nollpunktsreaktorn i matande fördelningsstation.

L604 kan reservmatas från två olika punkter (Bilaga B), antingen från ledningen L503

från fördelningsstationen M5 eller från ledning L601 från fördelningsstationen M6.

När matning från M5 sker påverkas för närvarande inställningarna på

nollpunktsreaktorn. Utan lokal kompensering på L604 skulle M5 vid reservmatning få

ett tillskott på kapacitiv jordfelsström på 41,4 A, detta innebär att nollpunktreaktorn i

M5 skulle få en kraftig snedavstämning.


13

5 Förslag till kompensering

Efter gjorda beräkningar på utgående ledningar från fördelningsstationen M6 har

ledning L604 valts att kompenseras. Dels för att denna ledning generar en hög

kapacitiv jordfelsström samt att den kan reservmatas från en annan fördelningsstation.

Bilaga A visar L604:s utbredning. Heldragen linje visar luftledning och streckad linje

visar markkabel.

Vid placering av lokal kompensering bör hänsyn tas till:

Sektioneringspunkter

Transformatorns storlek

Inkommande matning

Placering på ledning

För att kompensera ledning L604 finns två alternativ. Ett alternativ skulle vara att byta

ut nuvarande nollpunktsreaktor i M6 mot en större nollpunktsreaktor. För att inte

problemet med stor snedavstämning, vid reservmatning, ska kvarstå skulle det då

behövas köpas in ytterligare en nollpunktsreaktor, med automatik, till fördelnings-

stationen M5. Detta för att klara föreskriftskraven vid reservdrift.

Ur både tekniska och ekonomiska aspekter bedöms inte detta som rimligt. Därför

kommer här presenteras tre förlag på placering av transformatorer med inbyggd spole

för lokal kompensering.

5.1 Nätstation, 6038 Silversväg

6038 Silversväg är en markstation som matas med en 11 kV markkabel. Stationen har

tre utgående lågspänningsledningar. Transformatorn i stationen är på 315 kVA och är

belastad till 36 % vid höglast.

Efter beräkningar i Facilplus kunde det konstateras att den befintliga transformatorn

på 315 kVA kunde ersättas med en transformator på 100 kVA med inbyggd 10A

spole.

Belastningsgraden med den nya transformatorn kommer vid höglast att ligga på

87,1%. Hänsyn vid beräkningar har tagits till planerad utbyggnad. En 10 A reaktor

beräknas kompensera den rödmarkerade sträckan i bilaga A figur 4.


14

5.2 Nätstation, 5092 Norra Aröd

5092 Norra Aröd är också en markstation, stationen matas även den av en 11 kV

markkabel med har fyra utgående lågspänningsledningar. Befintlig transformator i

stationen är på 200 kVA och är belastad till 87 % vid höglast.

Här ges ett förslag på att byta ut befintlig transformator på 200 kVA till en Hexaform-

transfomator på 100 kVA. Belastningsgraden vid höglast bli 106,5 %.

Detta bedöms rimligt då en transformator kan belastas upp till 120 % under en vis tid.

En 10 A reaktor beräknas kompensera den blåmarkerade sträckan i bilaga A figur 4

5.3 Nätstation, 6053 Kolekärr

6053 Kolekärr, markstation med tre utgående lågspänningsledningar. Stationen är

matad med en 11 kV markkabel och transformatorn som transformerar ner

spänningen till 0,4 kV är på 100 kVA.

Befintlig 100 kVA transformator byts ut mot en 100 kVA transformator med 10 7A

spole. Belastningsgraden i detta fal blir oförändrad. En 10A reaktor beräknas

kompensera den grönmarkerade sträckan i bilaga A figur 5.

6 Resultat

Detta kapitel redovisar konsekvenserna av placeringen av de utlokaliserade

nollpunktsreaktorerna.

Resultatet av kompenseringen blir att cirka 28 A av den kapacitiva jordfelsströmmen

kommer att kompenseras lokalt ute på ledningen, resterande 13,28 A kompenseras via

den centrala nollpunktsreaktorn.

Det medför också att det inställda värde, >63, på den centrala nollpunktsreaktorn i

M6, kan minskas. Enligt Facilplus genererar utgående mellanspänningsnätet från

fördelningsstationen M6 en kapacitiv ström på 70,1 A, med lokal kompensering av

L604 skulle denna ström minska till 42,1 A.

6.1 Driftomläggning

Genom att utnyttja lokal kompensering av ledning L604 blir stor del av ledningen

självkompenserande. Fördelen med detta blir att nollpunktsreaktorn i M5 vid

reservmatning inte får lika stor snedavstämning.

6.2 Ekonomi

Ur ekonomiska aspekter kan det vara lönsamt att använda reaktorer för lokal

kompensering. Alternativt skulle den centrala nollpunktsreaktorn kunna bytas ut mot

en ny större.


15

Som nämndes tidigare i rapporten behövs då två nya centrala nollpunktsreaktorer med

automatik köpas in, för att inte problemet med stor snedavstämning vid

reservmatning ska kvarstå. Kungälv Energi AB har valt att köpa in tre stycken

transformatorer, från Hexaformer, med inbyggd Petersénspole för lokal

kompensering. De har ett styckpris på 88 250 kronor (prisuppgifterna är hämtade ur

fakturor på Kungälv Energi AB).

En ny större central nollpunktsreaktor med automatik till fördelningsstationen kostar

cirka 290 000 kronor/styck. I priset ingår en nollpunktsreaktor med reglerområde 20-

200 A, ett 5 A nollpunktsmotstånd, ströminjiceringsutrustning och utrustning för

automatik.

Tabell 6.1 tabellen visar en ekonomisk jämförelse mellan central- alternativt lokal kompensering.

Typ styckpris antal totalt

Central kompensering 290 000 kr 2 580 000 kr

Lokalkompensering 88 250 kr 3 246 750 kr

Prisskillnad 333 250 kr

Som kan ses ovan är lokal kompensering i detta fall en billig lösning på att minska

problemen med kapacitiv jordfelsström vid förläggning av markkabel.


16

7 Slutsats

Lokal kompensering är en säker, enkel och robust metod att kompensera kapacitiva

jordfelsströmmar. Denna rapport visar även at det är ekonomiskt försvarbart att

använda denna metod. Andra fördelar med lokal kompensering är:

Den aktiva strömmen minskar

”Transportsträckan” av kapacitiv jordfelsström minskar

Snedavstämningen vid reservmatning från annan fördelningsstation minskar.

Lokal kompensering är ett komplement till central kompensering. Dock måste hänsyn

tas till vissa punkter som nämnts tidigare.

Vid placering av lokala reaktorer eftersträvas självklart att få en så optimal placering

som möjligt. Det är inte alltid möjligt beroende på stationens utförande eller

transformatorns effekt. Istället placeras då transformatorn, med inbyggd spole, så nära

den optimala placeringen som möjligt.

I detta fall har optimal placering inte kunnat tillämpas fullt ut. Stationen 5092 Norra

Aröd blir vid höglast något överbelastad men vald placering bedöms ändå som rimlig.

Lokal kompensering av L604 ses vara den mest effektiva och mest ekonomiska

metoden att minska kapacitiv jordfelsström i fördelningsstationen M6.


17

Källförteckning

1. Elsäkerhetsverket (2008). ELSÄK-FS 2008:1. [Elektronisk] Elsäkerhetsverket. Tillgänglig: <http://www.elsakerhetsverket.se/Global/F%C3%B6reskrifter/2008-1.pdf> [2011-04-12]

2. Andersson, Lars (2006). Analys av systemegenskaper vid kablifiering av mellanspänningsnät. [Elektronisk] Högskolan Väst, Institutionen för teknik, matematik och datavetenskap. Tillgänglig <http://hv.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=4&pid=diva2:214934> [2011-04-18]

3. Evaldsson, Carl (2010). Kompensering av kapacitiva jordfelsströmmar i 10 kV kabelnät. Högskolan Väst, Institutionen för teknik, matematik och datavetenskap.

4. Ericsson.com (2010). AXCEL-LT (12)kV. [Elektronisk] Ericsson.com. Tillgänglig < http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=3/28701-FGC101681&Lang=EN > [2011-05-04]

5. Ericsson.com (2010). AXCEL, AXCEK 6/10(12)kV. [Elektronisk] Ericsson.com. Tillgänglig < http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=7/28701-FGC101681&Lang=EN&HighestFree=Y > [2011-05-04]

6. Ericsson.com (2010). AXKJ 6/10(12)kV. [Elektronisk] Ericsson.com. Tillgänglig < http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=9/28701-FGC101681&Lang=EN&HighestFree=Y > [2011-05-04]

7. Hexaformer Produktion AB (2010). 3 Phase transformers with Petersén coil, 11kV. [Elektronisk]. Hexaformer Produktion AB. Tillgänglig < http://www.hexaformer.com/ExternaDokument/Petersen-coil-11kV-version2.1.pdf > [2011-05-16]

8. Sveriges elleverantörer (1998). Jordningsteknik och jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät. Stockholm: Arne Löfgren Offset

9. Svenska Elföreningen (1992). Jordfelsteknik. Emmaboda: Åkesson

http://www.elsakerhetsverket.se/Global/F%C3%B6reskrifter/2008-1.pdf

http://hv.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=4&pid=diva2:214934

http://hv.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchId=4&pid=diva2:214934

http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=3/28701-FGC101681&Lang=EN

http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=3/28701-FGC101681&Lang=EN

http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=7/28701-FGC101681&Lang=EN&HighestFree=Y





http://www.hexaformer.com/ExternaDokument/Petersen-coil-11kV-version2.1.pdf

http://www.hexaformer.com/ExternaDokument/Petersen-coil-11kV-version2.1.pdf


Bilaga A:1

A. L604

Figur A.1. Visar hur ledning L604 breder ut sig. Figuren är hämtad ur Facilplus.


Bilaga B:1

B. Reservmatning

Figur B.1. Schema visar punkter för reservmatning av ledning L604. Figuren är hämtad ur Facilplus

Punkten för reservmatning från L601

Punkt för reservmatning från L503,

fördelningsstation M5


Bilaga C:1

C. Områden för kompensering

Figur C.1 visar område A (rödmarkerat) och B (blåmarkerat) i schemaform. Figuren är hämtad ur Facilplus.

Placering av utlokaliserade spolar med 10 A kompensering i stationen 6038 och 5092


Bilaga C:2

Figur C.2. Visar område C (grönmärkt) i schemaform. Figuren är hämtad ur Facilplus.

Placering av utlokaliserad spole med 10 A kompensering, 6053


Bilaga D:1

D. Kabeldata Tabell D.1. kabeldata på det kablar som används vid beräkning

Resistans (ohm/km) Induktans Kapacitans

Jordfelsström vid 10,7 kV

Kabel beteckning Ledare Skärm (mH/km) (Uf/km) (A/km)

AXCEL 3x95/16 0,32 1,2 0,3 0,28 1,63

AXCE-LT 1x50/16 0,641 1,2 0,4/0,72 0,23 1,339

AXCE-LT 1x95/16 0,32 1,2 0,36/0,66 0,3 1,747

AXCE-LT 1x150/25 0,206 0,8 0,34/0,62 0,35 2,038

AXKJ 1x50/16 0,641 1,2 0,4/0,72 0,23 1,339

AXAL-TT 3x50/25AL 0,641 1,2 0,37 0,16 0,932

AXAL-TT 3x240/35AL 0,125 0,8 0,29 0,27 1,57

AXLJ-F LT 3x50/16 F1 0,641 1,2 0,33 0,24 1,397

AXLJ-F LT 3x95/16 F1 0,32 1,2 0,3 0,3 1,747

AXLJ-F LT 3x150/25 F1 0,206 0,8 0,29 0,36 2,096

AXLJ-F LT 3x240/25 F1 0,125 0,8 0,27 0,44 2,562


Bilaga D:2

Tabell D.2. visar område etts kabel beteckning, längd, kabeltyp och dess 𝑰𝒄𝒋 ström.

Område 1

Kabel beteckning Kabel Typ Grafisk längd [m] 𝐼𝑐𝑗 [A]

K616 AXKJ 35 524,6 0,6560

SK627 AXCEL 95 25,1 0,0409

K681 AXCEL 95 460,8 0,7511

K682 AXCEL 95 347 0,5656

K680 AXCEL 95 532,1 0,8673

K679 AXCEL 95 615,7 1,0036

K678 AXCEL 95 269,6 0,4394

K677 AXCEL 95 304,1 0,4957

K676 AXCEL 95 261,5 0,4262

K675 AXCEL 95 354,1 0,5772

K673 AXCEL 95 238,5 0,3888

SK673 AXCE 50 167,8 0,6741

K672 AXCE 50 129,7 0,5210

K671 AXCE 50 61,5 0,2470

K671 AXCE 50 297 1,1930

K671 AXLJ 95 215,9 0,3772

K671 AXCE 50 104,1 0,4182

K671 AXLJ 95 471,5 0,8237

K672 AXLJ 95 408,2 0,7131

K672 AXLJ 95 50,4 0,0880

K761 AXLJ 95 444,3 0,7762

K777 AXLJ 95 260,4 0,4549

K777 AXCE 50 42,9 0,1723

K777 AXLJ 95 131,9 0,2304

K667 AXCE 50 401,4 1,6124

K667 AXLJ 95 197,2 0,3445

K668 AXCE 50 286,6 1,1513

Summa 7603,90 16,01


Bilaga D:3

Tabell D.3. visar område tvås kabel beteckning, längd, kabeltyp och dess 𝑰𝒄𝒋 ström

Område 2


K753 AXLJ 95 70,5 0,1232

K753 AXLJ 95 301,4 0,5265

K751 AXLJ 95 217,2 0,3794

K751 AXLJ 95 490,5 0,8569

K751 AXLJ 95 112,4 0,1964

K752 AXLJ 50 484,9 0,6774

K752 AXLJ 50 252,2 0,3523

K750 AXLJ 95 218,7 0,3821

K750 AXLJ 95 491,9 0,8593

K749 AXLJ 95 514,2 0,8983

K747 AXLJ 95 487,5 0,8517

K748 AXLJ 95 28,8 0,0503

604345 - T6029 ALL 99 300,5 0,0107

T6029 - 604354 ALL 99 310,3 0,0111

604354 - 604365 ALL 99 417,4 0,0149

604365 - 604467 ALL 99 197,3 0,0070

K282 AXCE 50 15 0,0603

604365 - T6033 CU 16 45,7 0,0016

604365 - 604369 ALL 62 207,1 0,0074

K624 AXAL 50 19,7 0,0184

604369 - 604437 ALL 62 426,6 0,0152

HK623 AXAH 50 2,6 0,0001

604354 - 604372 ALL 99 191,9 0,0068

K661 AXCE 50 145,2 0,5833 SK66101 - T6030 AXCE 50 58,3 0,2342

K690 AXCE 95 231,7 1,2143

604375 -604377 ALL 99 162,5 0,0058

604377 - T6031 BLX 99 436 0,0156

T6031 - 604388 BLX 99 246,5 0,0088

604388 - 604391 BLX 99 164,5 0,0059

604391 - T6032 CU 25 115,1 0,0041

604391 - T6069 ALL 99 505,8 0,0180

604388 - 604424 ALL 99 164,1 0,0059

K324 AXCE 150 150,3 0,9189

604345 - 604342 ALL 99 150,1 0,0054

604342 - 604341 ALL 99 53,1 0,0019

604341 - 604250 ALL 99 638,3 0,0228

K794 AXLJ 50 236 0,3297

K793 AXLJ 240 63,3 0,1622

K793 AXLJ 240 495,2 1,2687

K793 AXLJ 240 393,9 1,0092

Summa 10214,2 12,1218


Bilaga D:4

Tabell D.4. visar område tres kabel beteckning, längd, kabeltyp och dess 𝑰𝒄𝒋 ström

Område 3


L604446-T5264 ALL99 402,7 0,0144

604445-604446 ALL234 85,2 0,0030

604172-604445 ALL 99 65,2 0,0023

604172-T5087 ALL 99 91,6 0,0033

604163-604172 ALL 99 297,8 0,0106

604163-604164 ALL99 57,4 0,0020

604164-T5086 CU16 289,3 0,0103

604153-604163 ALL99 267,1 0,0095

604153-T5085 ALL99 243,6 0,0087

T5085-604436 ALL 99 407,8 0,0145

604151-604153 ALL99 234,9 0,0084

604151-604405 CU25 125,8 0,0045

604151-T5219 CU25 179,2 0,0064

EF16-604151 ALL99 130,6 0,0047

604145-EF16 CU35 45,9 0,0016

604117-604145 CU25 708,9 0,0253

604117-604120 FEAL49 154,2 0,0055

604120-604125 FEAL49 285,8 0,0102

604125-604128 FEAL31 246,1 0,0088

604128-T5279 ALL99 150 0,0054

604128-T5083 FEAL31 578,9 0,0206

604112-604117 CU25 172,8 0,0062

604112-T5082 CU10 227 0,0081

604106-604112 CU25 410,1 0,0146

604106-T5084 ALL62 115,9 0,0041

604089-604106 CU25 642,7 0,0229

604089-T5081 ALL99 504,3 0,0180

T5081-604096 ALL99 97,5 0,0035

604079-604083 CU25 311 0,0111

604083-T5217 CU25 280,1 0,0100

604079-T5079 FEAL 49 70,8 0,0025

T5079-604080 FEAL 49 53,9 0,0019

604080-T5215 ALL 62 558 0,0199

604069-604079 CU25 366,5 0,0131

604067-604069 ALL99 145,1 0,0052

604041-604067 CU50 191,5 0,0068

604041-T5239 CU50 341 0,0122

604030-60433 FEAL31 156,5 0,0056

EF80-T5273 ALL234 402,9 0,0144

T5273-604030 ALL234 226,2 0,0081

604030-604026 ALL234 361,1 0,0129

604026-F128 ALL234 1115,8 0,0398

F128-T5077 ALL234 305,4 0,0109

T5077-604010 ALL234 332,8 0,0119

604010-604001 ALL234 870,5 0,0310

K538 AXCE 50 74,9 0,3009

K208 AXCE 50 28 0,1125

K652 AXCE 50 481,7 1,9350


Bilaga D:5

K792 AXLJ 240 747,8 1,9159

K791 AXLJ 50 633,2 0,8846

K791 AXLJ 50 273,9 0,3826

K606 AXAL 50 78,4 0,0731

K669 AXLJ 50 379,1 0,5296

K669 AXCE 50 338,7 1,3606

K790 AXLJ 240 198,2 0,5078

K790 AXLJ 240 631,9 1,6189

K790 AXLJ 240 481,3 1,2331

K789 AXLJ 240 331,2 0,8485

K509 AXCE 50 64,7 0,2599

K147 AXKJ50 270,5 0,362869

HK249 AXCE 50 97,8 0,3929

K139 AXAL240 55,1 0,0866

Summa 18473,8 13,2799


Documents

Examensarbete - Kungälv Energi