Reaktiv effekt i Dala Energis framtida mellanspänningsnät

(1)

Reaktiv effekt i Dala Energis

framtida mellanspänningsnät

Reactive power in the future medium voltage

grid of Dala Energi

Mark Welbourn

Examinator: Björne Lindberg

Juni 2019

(2)

Sammanfattning

Dala Energi har stora planer för nätutveckling och vill ha en bättre förståelse både för det reaktiva effektflödet som är idag och det som kan förväntas inom en snar framtid. Förändringar i ledningsinduktans, driftkapacitans, area och placering gör att Dala Energi är på väg mot högre laddningsströmmar och högre reaktiv effektgenerering.

Tillsammans med elkvalitetsbekymmer i eget elnät kan den högre reaktiva effektgenereringen medföra bekymmer för ägaren till överliggandenätet. Det nuvarande avtalet tillåter inte inmatning av reaktiv effekt. Dala Energis elnät är fördelad mellan tre olika nätområden med 19 fördelningsstationer varav 12 är inmatningspunkter till överliggande nätet. Stundtals förekommer inmatning av reaktiv effekt från 8 av dem och utvecklingen är på väg mot 12 av 12.

Nätområde 1 där 20 kV-nätet ingår är det stora problemområdet idag med inmatning på 1 till 3 MVAr vanligt förekommande, och en kraftig ökning förväntas. Nätområde 3 består av över dubbelt så mycket markkabel i mellanspänningsnätet som de andra 2 områdena och hade kunnat ha större problem med reaktiva effektinmatningen om det inte hade varit för de 3 stora effektkunder i området som förbrukar mycket reaktiv effekt. Om några år förväntas Nätområde 3 ha nästan lika stora kapacitiva reaktiva effektnivåer som Nätområde 1. Den totala basnivån på reaktiv effekt för alla nätområden kommer sänkas med 8,2 MVAr under de kommande åren.

Ägaren till överliggandenätet styr över Dala Energis 5 största kondensatorbatterier med total märkeffekt på 11,6 MVAr. Med hela kapaciteten nästan ständigt inkopplad blir inmatningen av reaktiv effekt mycket högre. Det hade varit värdefullt att träffas med ägaren till överliggandenätet och diskutera samspelet mellan elnäten och se över nuvarande abonnemanget.

(3)

Abstract

Dala Energi has large-scale plans for grid development and wants to have a better understanding of their current reactive power levels along with a future prognosis based on their plans. Changes in line inductance, shunt capacitance, area and placement put Dala Energi on the path to higher charging currents and higher reactive power generation.

In addition to causing concerns in their own grid, the increased reactive power generation can present challenges for the owner of the overlying grid. Transmission of reactive power upwards is not permitted in the current contract. Dala Energi’s grid is divided into 3 separate regions with a total of 19 larger substations, 12 of which are points of connection with the overlying grid. At times, 8 of the substations have transmitted reactive power upward and soon it will be all 12.

Region 1, where the 20-kV grid is located, is the biggest problem-area today, with upward-transmissions of 1 to 3 MVAr quite common and a considerable increase expected. Region 3 contains more than double the underground cable as the other two areas and might have had much greater side effects from the high shunt capacitance were it not for 3 industrial customers who consume a large portion of reactive power. In the coming years, however, Region 3 is expected to have capacitive reactive power levels nearly equal to those of Region 1. The combined reactive power baseline for all regions is expected to drop by 8.24 MVAr in the coming years. The owner of the overlying grid controls Dala Energi’s 5 largest capacitor banks which have a rated capacity of 11.6 MVAr. With the entire capacity almost always connected, the upward transmission of reactive power becomes much greater. It would be very advisable to meet with the owner, discuss interaction between the two grids and examine the details of the current contract.

(4)

Förord

Detta examensarbete på 15 hp avsluter mina studier i högskoleingenjörsprogrammet i elkraftteknik vid Umeå Universitet. Jag har haft förmånen att utföra mitt projekt hos Dala Energi med gruppen för nätutveckling.

Jag vill tacka Dala Energi för en lärorik erfarenhet och ett varmt mottagande. Jag vill rikta ett särskilt stort tack till min handledare på Dala Energi Johan Norling som har generöst delat med sig av sin tid och kunskap.

Ett varmt tack också till min institutionshandledare Johan Pålsson för utförliga svar, uppmuntran och vägledning under mitt arbete.

Orsa juni 2019

(5)

Innehåll

Sammanfattning ... i Abstract ... ii Förord ... iii 1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 1 1.3 Mål ... 1 1.4 Avgränsningar ... 1 2 Teori ... 2 2.1 Aktiv effekt ... 2 2.2 Reaktiv effekt ... 2

2.2.1 Positiv reaktiv effekt ... 3

2.2.2 Negativ reaktiv effekt... 3

2.3 Kraftledningsmodell ... 3

2.3.1 Ledningsinduktans ... 4

2.3.2 Driftkapacitans ... 5

2.3.3 Laster ... 7

2.4 Kapacitiva jordfelsströmmar ... 7

2.5 Kompensering av reaktiv effekt ... 8

2.5.1 Reaktiva effektbalansen i elnätet ... 8

2.5.2 Kondensatorbatterier ... 9

2.5.3 Shuntreaktorer ... 9

3 Metod ... 11

3.1 Säkerställa målbilden ... 11

3.2 Kvantifiera framtida förändringar ... 11

(6)

4.3 Förändringar kvantifieras ... 16 4.4 Nuläget ... 20 4.5 Prognos ... 21 4.6 Effektkunder ... 21 5 Diskussion ... 23 5.1 Felkällor ... 23 5.2 Automatisk beräkning ... 23 5.3 Riskanalys ... 23 5.4 Nytt avtal ... 24 5.5 Kompensering ... 25 7 Referenser ... 27 8 Bilagor ... 28 8.1 Kontrollberäkning ... 28

(7)

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Elnäten världen över är i en förändringens tid. Elkonsumtionen ökar ständigt, samtidigt som högre krav ställs på tillförlitlighet, kvalité och ansvar. Dala Energi har inte undgått förändringen. För att möta nutidens och framtidens krav, måste dagens elnät utvecklas. Utifrån ett tillförlitlighetsperspektiv ska alla friledningar bytas ut mot kabel förlagd i marken, så långt det är praktisk möjligt. Från ett miljö- och ekonomiskt perspektiv ska även alla gamla blypapperskablar bytas ut mot ny kabel med större area. Den pågående förändringen av elnätets egenskaper ställer krav på eftertanke. (Personlig kommunikation J Norling 2019-04)

1.2 Syfte

Tidigare har Dala Energi fått kompensera för hög reaktiv effektförbrukning i distributionsnätet med reaktiv effektgenerering i form av kondensatorbatterier. Det har istället blivit allt vanligare den senaste tiden med för mycket reaktiveffekt. Dala Energi vill ha en prognos över hur deras reaktiva effektbalans kommer att se ut om några år när de har nått fram till målbilden för nätutveckling. Det skulle vara värdefullt att, redan nu, börja planera för eventuella förändringar i kompensering.

1.3 Mål

Målet med detta projekt är att ge en trovärdig prognos över hur byte av friledning mot kabel i marken och gamla blypapperskablar mot nyare kommer att bidra till förändringen av reaktiva effektbalansen. Prognosen ska jämföras mot krav från överliggande nät för att förstå huruvida Dala Energi kan riskera straffavgifter. Prognosen kan leda till förslag om åtgärder som grundas i nättopologi, till exempel, rollen som stora effektkunder och långa radiella matningar spelar.

1.4 Avgränsningar

(8)

2 Teori

Ett elkraftsystem består av många komponenter med egenskaper som tillsammans bestämmer systemets karaktäristik, antingen resistivt, kapacitivt, induktivt eller en kombination därav. Karaktäristiken avgör mängden av aktiv och reaktiv effekt och har betydelse för kvaliteten och effektiviteten av systemets kraftöverföring.

2.1 Aktiv effekt

Aktiv effekt är produkten av spänning och ström i en resistiv krets och uttrycks i enheten watt (W). En watt representerar 1 joule per sekund, vilket är ganska logiskt för produkten av 1 joule per coulomb (spänning) och 1 coulomb per sekund (ström). När ström och spänning är exakt i fas med varandra produceras aktiv effekt och endast aktiv effekt. Aktiv effekt utför arbete när den omvandlas till mekanisk effekt, ljus och värme. I en ren resistiv elektrisk krets är effekten aktiv som i figur 1 nedan.

I figur 1 syns ström, spänning och aktiv effekt för en resistor. Aktiva effekten förblir positiv i varje ögonblick eftersom ström och spänning går, i varje ögonblick, i samma riktning. [1]

2.2 Reaktiv effekt

När spänning och ström är ur fas, med andra ord inte byter riktning samtidigt, uppstår reaktiv effekt. Reaktiv effekt uttrycks i enheten voltampere reaktiv (VAr). Tillsammans utgör reaktiv och aktiv effekt skenbar effekt, som uttrycks på enheten voltampere (VA). Ett sätt att visualisera de olika effekterna är med hjälp av det imaginära talplanet, där aktiv effekt representeras av den reella axeln och reaktiv effekt representeras av den imaginära axeln. Skenbar effekt representeras av hypotenusan av en rätvinklig triangel i talplanets första eller fjärde kvadrant, som i

figur 2. [1]

Figur 1: Aktiveffekt (i svart) för en AC-krets med resistive last

(9)

2.2.1 Positiv reaktiv effekt

När strömmen är tidsförskjuten så att den byter riktning efter spänningen, ger den upphov till reaktiv effekt. Vedertaget bruk är att kalla denna typen av reaktiv effekt positiv. Växelström genom en ledning eller last av induktiv karaktär inducerar ett elektromagnetiskt fält som motverkar ändringen av ström, och därav fasförskjutningen. Induktiva komponenter sägs konsumera eller förbruka reaktiv effekt. Förhållandet mellan aktiv effekt och skenbar effekt, eller vinkeln där emellan på det imaginära talplanet, betecknas i positiva grader av vinkeln ϕ, som illustreras i figur 2.

2.2.2 Negativ reaktiv effekt

När strömmen är tidsförskjuten så att den byter riktning före spänningen, ger den också upphov till reaktiv effekt. Vedertaget bruk är att kalla denna typen av reaktiv effekt negativ. Växelspänning över en ledning eller last av kapacitiv karaktär orsakar upp- och urladdningen av ett elektriskt fält. Under uppladdningen, kommer strömmen före spänningen, och därav fasförskjutningen. Kapacitiva komponenter sägs producera eller generera reaktiveffekt. Förhållandet mellan aktiv effekt och skenbar effekt, eller vinkeln där emellan på det imaginära talplanet, betecknas i negativa grader av vinkeln ϕ, som illustreras i figur 2.

2.3 Kraftledningsmodell

Elektriska ledningar för kraftöverföring har egenskaperna resistans, induktans och kapacitans. Kombinationen därav beror på ledningens spänningsnivå och på fysikaliska egenskaper som ledningsmaterial, tjocklek och förläggningssätt. Rapporten fokuserar på de egenskaper som bidrar till fasförskjutning och reaktiv effekt som biprodukt.

(10)

Det finns olika sätt att representera ett ledningssystem som en ekvivalent krets, alla med förenklingar, fördelar och nackdelar. I Figur 3 syns ett ekvivalent П-schema.

R och L representerar ledningens resistans och induktans som verkar i serie med ledaren. C representerar driftkapacitansen som verkar både mellan ledare och jord och ledarna emellan. I ett π-schema ritas halva kapacitansen i början och andra halvan på slutet av ledningen. Rlast är en belastning. [2]

2.3.1 Ledningsinduktans

Induktansen som uppstår i ett trefassystem beror på avståndet mellan faserna, ledarnas diameter och fasernas inbördes placering. [2]

𝐿 = 0 2𝜋( _𝑟 4 + 𝑙𝑛 𝑑 𝑟) (1) 𝑑ä𝑟 𝑑 = 𝑎𝑥𝑒𝑙𝑎𝑣𝑠𝑡å𝑛𝑑𝑒𝑡 𝑚𝑒𝑙𝑙𝑎𝑛 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒 𝑟 = 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑒𝑛 ₀= 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑒𝑡𝑒𝑛 𝑖 𝑙𝑢𝑓𝑡 _𝑟 = 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑒𝑡𝑒𝑛 𝑓ö𝑟 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑡

Ledare med mindre diameter har större induktans. Större avstånd mellan faserna medför högre induktans. Av denna anledning är induktansen mycket högre för friledning än för kabel av samma diameter, med värden mellan 3 och 4 gånger större.

Figur 3: Ekvivalent П-schema för en trefasledning

(11)

När faserna placeras horisontalt fås endast ett medelvärde med formel 1 eftersom induktansen i mittenfasen och ytterfaserna är olika. Detta ses som bekymmersamt för spänningar från och med 20 kV. Induktansen för ledningar med 20 kV och uppåt jämnas ut genom att byta plats på faserna utefter ledningen. Detta kallas för skruvning. [3]

När man idag talar om reaktans för en ledning menar man den induktiva reaktansen som erhålls vid 50 Hz. Det är förståeligt att språkbruket har utvecklat så med tanke på att friledningar domineras av induktans. [4]

𝑋𝐿= 𝜔 ∗ 𝐿 𝑖 Ω/𝑘𝑚 (2)

𝑑ä𝑟 𝐿 = 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑘𝑡𝑎𝑛𝑠𝑒𝑛 𝑖 𝐻/𝑘𝑚 𝜔 = 𝑣𝑖𝑛𝑘𝑒𝑙ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 𝑖 𝑟𝑎𝑑/𝑠

Konsumtionen av reaktiveffekt för en ledning är en funktion av reaktansen som verkar i serie med ledningen och belastningsströmmen i kvadrat.

𝑄𝐿 = 𝐼2𝑋𝐿 𝑖 𝑉𝐴𝑟/𝑘𝑚 (3)

𝐼 = 𝑏𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑠𝑡𝑟ö𝑚𝑚𝑒𝑛 𝑖 𝐴

2.3.2 Driftkapacitans

I kraftledningar finns kapacitans både fasledarna emellan, ömsesidig kapacitans, och mellan respektive fasledare och jord, egenkapacitans. Kombinationen därav för en ledning kallas för driftkapacitansen och illustreras i figur 5 nedan. [3]

(12)

𝐶_𝐷= 𝐶𝑒+ 3𝐶ö (4)

Den ömsesidig kapacitansen är en funktion av ledararea, avståndet mellan ledare och dielektricitetskonstanten för isoleringstypen, exempelvis PVC, PEX eller luft. Ledarens egenkapacitans är en funktion av ledararea, avståndet mellan ledare och jord och dielektricitetskonstanten för isoleringen. [2]

𝐶_ö= 𝜀 ∗𝑙∗𝑎 𝑑 (5) 𝑑ä𝑟 𝜀 = dielektricitetskonstanten 𝑙 = 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑖 𝑚 𝑎 = 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒𝑛𝑠 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑖 𝑚 𝑑 = 𝑎𝑣𝑠𝑡å𝑛𝑑 𝑓𝑟å𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒 𝑡𝑖𝑙𝑙 𝑗𝑜𝑟𝑑 𝑒𝑙𝑙𝑒𝑟 𝑎𝑛𝑛𝑎𝑛 𝑙𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒 𝑖 𝑚

Kraftkablar har betydlig högre driftkapacitans än luftledningar av tre anledningar: avståndet mellan faserna är mindre, fas-till-jord avståndet är mindre och kabelisolering har högre dielektricitetskonstanter än luft. Driftkapacitansen varierar även från kabel till kabel, både på grund av ledararea och isoleringsmaterial. Modellen i figur 5 och formel 4 och 5 representerar bäst driftkapacitansen för friledningar och kablar där parterna isoleras med individuell skärm. Driftkapacitansen är svårberäknad i annat fall och kräver mätning av delkapacitansen mellan en ledare och de andra och mätning av delkapacitansen mellan gemensamma skärmen och ledarna förbundna med varandra. Noggranna

(13)

beräkningar görs och redovisas av kabeltillverkare. Teoretiska beräkningen av driftkapacitansen i sådana fall ligger utanför rapportens omfattning. [3]

Den kapacitiva reaktansen beror på driftkapacitansen och systemets vinkelfrekvens (formel 6). Ledarens bidrag till genereringen av reaktiv effekt är en funktion av den kapacitiva reaktansen som verkar mellan ledaren och jord, den resulterande laddningsströmmen (formel 7) och driftspänningen. Det finns många formler som korrekt beskriver den kapacitiva reaktiva effekten. I formel 8 syns en ommöblerad version där Qc är produkten av huvudspänning i kvadrat och inversen av XC.

𝑋𝐶 = 1 𝜔∗𝐶𝐷 𝑖 Ω/𝑘𝑚 (6) 𝑑ä𝑟 𝐶𝐷= 𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑠 𝑖 𝐹 𝐼_𝐶 = 𝜔 ∗ 𝐶𝐷∗ 𝑈𝑓 𝑝𝑒𝑟 𝑓𝑎𝑠 𝑖 𝐴/𝑘𝑚 (7) 𝑑ä𝑟 𝐶_𝐷= 𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑠 𝑖 𝐹/𝑘𝑚 𝑈_𝑓 = 𝑓𝑎𝑠𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑖 𝑉 𝑄_𝐶 = 𝜔 ∗ 𝐶𝐷∗ 𝑈ℎ2 i VAr/km (8) 𝑑ä𝑟 𝑈ℎ= ℎ𝑢𝑣𝑢𝑑𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑖 𝑉

Laddningsströmmen, 𝐼_𝐶, är närvarande om ledningen är spänningssatt och kallas därför även tomgångsström. Spänningsnivåer hålls konstant inom ett smalt intervall. Ledningens bidrag till det totala kapacitiva reaktiva effektbidraget, 𝑄_𝐶, kan av den orsaken ses som ett fast bidrag och opåverkad av belastningsströmmen. [4]

2.3.3 Laster

Fasförskjutningen av belastningsströmmen och den resulterande närvaron av reaktiv effekt i ett system beror inte bara på ledningar, utan i hög grad även på systemets belastning. Kraftsystem har alltid dominerats av induktiva laster som konsumerar reaktiveffekt, exempelvis transformatorer, asynkronmotorer och andra komponenter som kräver en magnetiseringsström. Laster av kapacitiv karaktär har blivit vanligare men sällan tillräckligt för att göra systemet kapactivt. Exempel på kapacitiva laster är radiokretsar, LED-lampor, switchande kraftaggregat och annan kraftelektronik. [5]

2.4 Kapacitiva jordfelsströmmar

(14)

från formel 7 i inmatningspunkten och avtar därifrån längst ledningen som i figur 6. [4]

Skulle ett enfasigt jordfel inträffa uppstår en jordslutningsström som är tre gånger större än laddningsströmmen. [3]

𝐼_𝑐𝑗= 3 ∗ 𝐼𝑐 𝑖 𝐴/𝑘𝑚 (9)

En vanlig tumregel i industrin är att kabelnät orsakar i inmatningspunkten 2 A kapacitiv jordfelsström för varje kilometer ledning. Noggrann teoretisk beräkning av den totala kapacitiva jordfelsströmmen för systemet är problematisk på grund av en mängd faktorer, exempelvis den induktiva inverkan av komponenter som transformatorlindningarna eller betydelsen av markförhållandet. [3]

2.5 Kompensering av reaktiv effekt

2.5.1 Reaktiva effektbalansen i elnätet

Den totala reaktiva effekten för systemet är summan av systemets induktiva och kapacitiva bidrag från laster och ledningssystemet. Formel 10 kräver att det kapacitiva reaktiva effekten ges i negativa VAr.

𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝐿+ 𝑄𝑐 (10)

Man strävar efter att minimera närvaron av reaktiveffekt i ett kraftsystem. En anledning är att reaktiv effekt kan ses till viss del som ett slöseri med resurser. Det är dock inte hela sanningen. Reaktiv effekt behövs för magnetisering av både asynkronmotorer och transformatorer. [5] Reaktiv effekt spelar även en viktig roll i systemets spänningsreglering.

(15)

När det totala reaktiva effektflödet är kapacitivt uppstår ett fenomen som kallas den Ferranti effekten där spänningsnivån på mottagningsändan av en lång radiell matning överstiger spänningsnivån på matningsändan. I värsta fall stiger spänningen så högt att skyddsanordningar börjar koppla bort belastning och orsakar stora elavbrott. Detta inträffar framförallt vid lågbelastning eller tomgång. Risken ökar linjärt med högre driftkapacitans och högre huvudspänning men ökar exponentiellt med större ledningslängd. [8] Förändringen av spänningen på mottagningsändan kan beräknas med formel 11.

𝛥𝑉 = −1 2∗ 𝜔 2_{∗ 𝑉 ∗ 𝐿′ ∗ 𝐶′ ∗ 𝑙}2₍₁₁₎ 𝑑ä𝑟 𝑉 = 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑝å 𝑚𝑎𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠ä𝑛𝑑𝑎𝑛 𝑖 𝑣𝑜𝑙𝑡 𝐿′_{= 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑘𝑡𝑎𝑛𝑠 𝑖 𝐻/𝑘𝑚} 𝐶′_{= 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑠 𝑖 𝐹/𝑘𝑚} 𝑙 = 𝑙𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑙ä𝑛𝑔𝑑𝑒𝑛 𝑖 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟

Det är därför kablar på de högsta spänningsnivåerna med radiell matning som är de största riskobjekten för Ferranti effekten.

En annan anledning till varför man vill undvika hög reaktiv effekt är att den orsaker överbelastning av systemets komponenter. En högre ström krävs för samma aktiva effektuttag och sliter extra på komponenter i onödan.

Det är av dessa skäl ägare till överliggande nät sätter gränser på uttaget av reaktiv effekt och på senare tid även inmatningen av reaktiv effekt.

2.5.2 Kondensatorbatterier

Kompensering för överuttag av reaktiv effekt görs framförallt med kondensatorbatterier. Kondensatorbatterier är komponenter som lagrar elektriska laddning. Lådorna innehåller många buntar av aluminiumfolie varvad med polypropylenfilm, oftast säkringar och alltid urladdningsmotstånd som skydd vid driftstörning. [2]

Kondensatorbatterier används i både industriella anläggningar och i elnätet på alla spänningsnivåer med reaktiv effektproduktion så lågt som 30 kVAr i lågspänningsnätet och upp till flera hundra MVAr i högspänningsnätet. De kan kopplas direkt på en ledning i nätet eller i en station på den tertiära lindningen av en transformator. [9]

2.5.3 Shuntreaktorer

(16)

[2] Precis som med kondensatorbatterier kan de kopplas både utlokaliserad och på transformatorstation.

(17)

3 Metod

För att ge en prognos om reaktiva effektflödet i Dala Energis distributionsnät, cirka fem till tio år in i framtiden, och lämpliga åtgärder, kommer arbetet utföras på följande vis:

3.1 Säkerställa målbilden

Nätutvecklingsprojekt som är planerad för närmaste åren syns i Dala Energis nätutvecklingsplan. De skrivs cirka var tredje år för varje område som täcks av en fördelningsstation. De är utgångspunkten för målbilden.

Vissa delprojekt i nätutvecklingsplanen är redan utförda. För att veta det aktuella läget, kommer programmet Digpro Power, eller DpPower, användas. DpPower innehåller ett register över hela Dala Energis nät, som visas i både olika kartvyer och som enlinjeschema.

För vissa fördelningsstationer finns ingen nätutvecklingsplan. För andra fördelningsstationer är nätutvecklingsplanen gamla. I andra fall finns det projekt som bör göras inom tio år och inte står med. Det är därför viktigt att förstå grundfilosofin bakom Dala Energis planer. Elkraftingenjören och handledaren på Dala Energi, Johan Norling, står till hjälp med att förklara grundtanken.

Där det krävs bedömningar om tänkbara avvikelser från grundfilosofin kan situationen diskuteras med gruppchefen för nätutveckling på Dala Energi, Dan Stolt.

3.2 Kvantifiera framtida förändringar

En lista över alla ledningar som ska bytas ut, tillsammans med vilka ledningar som ska ersätta dem, längden på sträckorna, ledningsdata och formlerna från Teoridelen, möjliggör beräkningen av förändringen i både reaktiv effekt och jordfelsströmmar för varje linje, utgående fack, fördelningsstation och inmatningspunkt till överliggande nätet. Ledningsinduktansen och driftkapacitansen för varje ledning kommer av praktiskt skäl att hämtas från databasen i DpPower där kabeldata ges vid drifttemperatur 65˚C.

Det finns även data över reaktiv effekt för varje linje i dpPower, men för att veta om uppgifterna är pålitliga, kommer en jämförelse göras med handberäkningar för ett utgående fack som har en blandning av ledningstyper i underliggande nätet.

3.3 Bedöma nuläget

(18)

3.4 Analysera riskerna

Dala Energis abonnemang med överliggande nätets ägare, Ellevio, kommer att läsas och analyseras för att förstå huruvida straffavgifter riskeras, både nu och i framtiden. Min-värden på reaktiv effekt idag, adderat med förändringsprognosen, visar ett scenario som måste beaktas med hänsyn till abonnemanget med Ellevio.

3.5 Planera för framtiden

(19)

4 Resultat

Fördelningsstationer och utgående fack har avidentifierats i denna offentliga version av rapporten.

4.1 Målbilden

Den planerad utvecklingen som grundas i nätutvecklingsplanen, DpPower databasen och samråd med Dala Energi redovisas nedan.

4.1.1 Friledningar

Från ett hälso- och tillförlitlighets perspektiv ska friledning ersättas med PEX-isolerad aluminiumkabel i marken, till exempel AXAL-TT PRO.

Fram till 30 år sedan var elstolpar impregnerad med skyddsmedlet kreosot. De som kommer i kontakt med kreosot riskerar olika hudbesvär. Att jobba med kreosotimpregnerade stolpar ställer höga krav på hygien och skyddsutrustning. Studier tyder även på att långvarig oskyddad kontakt kan orsaka hud- och lungsjukdomar. [6]

Byte mot markkabel ökar tillförlitligheten eftersom man undviker elavbrott orsakade av islast och trädgrenar. Man slipper även underhålla en ledningsgata och alla trästolpar åt friledningen.

Idag finns drygt 438 km friledning i Dala Energis elnät. Det är endast 0,43% av nätets totala längd men står för 28,4% av längden i mellanspänningsnätet. De drygt 13 km friledning som finns i lågspänningsnätet kommer att bytas ut men tas inte med i beräkningen. Med tanke på det exponentiella sambandet mellan huvudspänningen och den kapacitiva reaktiva effekten och en spänningsnivå som är endast 4% av mellanspänning, är bidraget från lågspänningsnätet ointressant storleksmässigt. Det finns däremot inga planer på att byta ut de knappt 27 km friledning som idag matar 50 kV-nivån. En anledning till detta är den stora reaktiva effektgenereringen som skulle finnas med kabel på den spänningsnivån. (Personlig kommunikation J Norling 2019-05)

Friledningssträckor är oftast en rak linje mellan två punkter. Ersättningskabel kommer att förläggas i marken, följa vägarna och vara lättillgänglig. I de flesta fallen blir de nya ledningssträckorna längre på grund av vägens kurvor. Man kan räkna med att en kabelsträcka som följer vägen blir 1,5 gånger längre än friledningssträckan som den ersätter. I undantagsfall är ersättningssträckan kortare på de ställen där man har prioriterat friledningens avstånd från bebyggelse. (Personlig kommunikation J Norling 2019-04)

(20)

markkabel. Vid byte kan man även ta chansen att ersätta kreosotimpregnerade elstolparna. I figur 6 finns exempel på en sådan sträcka i ett skogsområde.

Friledningar över vattendrag kan ersättas med sjökabel. I figur 7 nedan syns en drygt 370 meter FEAL 99-friledning som kommer att ersättas med 275 meter 150 mm2 sjökabel och 95 m markkabel. Detta och alla likande projekt kommer att ha konsekvenser för mellanspänningsnätet. (Personlig kommunikation J Norling 2019-04)

Det kan även nämnas att ledningar alltid kommer att ersättas med ledningar med minsta lika stora areor. I många fall ersätts de med en grövre ledning som i exemplet ovan. Om det finns 2 kilometer FEAL 99 som ska bytas ut ersätts den med upp till 3

Figur 6: 1,2 km FEAL 62 i skogsterräng som ska ersättas med BLX 62

(21)

kilometer AXAL-TT PRO 3x150/35. Både ökning av längd och area bidrar till förändring i nätet.

4.1.2 Blypapperskabel

Det finns 99 km blypapperskabel i Dala Energis elnät. Blypapperskabel är blyskärmad och isolerad med oljeimpregnerat papper. Den har en lång livslängd så länge den inte rörs, flyttas och skarvas för mycket. Idag finns det sträckor kvar med installationsår 1950 och väldigt många från 60-talet.

Ur ett miljö- och hälsoperspektiv ska blypapperskabel bytas ut. Problem utstår när blypapperskabel böjs eller krossas på ett sätt som skadar skärmen och skapar hål. Oljan kan då börja läcka ut och fukt kommer in. När fukt har börjat komma in förstörs isoleringen snabbt. Överbelastning kan också orsaka oljeläckage. Bly kan vara en fara till människors hälsa och ska också ersättas. [7]

Ur ett ekonomiskt perspektiv bör sträckorna ersättas med nya ledningar då Dala Energi inte får betalt för ledningar som är över 50 år i nuvarande nätregleringsmodell. 99,4% av blypapperskabel i nätet idag är över 50 år gammal. 8% är över 60 år gammal.

4.1.3 Övriga förändringar

Dala Energi har många övriga planer för förbättringar i elnätet som ligger utanför rapportens omfattning och kommer inte att presenteras i beräkningarna. Exempelvis vill de förebygga avbrott och i enlighet med N-1 principen kommer flera reservmatningar läggas så att elförsörjning till vissa kunder inte fallerar vid ett avbrott på en enstaka kabel. En sådan förändring skulle öka den totala ledningslängden för nätet och troligtvis även den ledningsgenererade reaktiva effekten.

4.2 Kontrollberäkning

DpPower har många automatiska beräkningsfunktioner som bör underlätta för användare och gör att handberäkningar inte är nödvändiga. En sådan funktion finns under ”Analyzer” och ”Spårningsmenyn”. Funktionen ger den totala kapacitiva reaktiva effektgenerering för ledningssträckor.

Ett stickprov gjordes med Station A och ledningarna som tillhör Fack 9. Fack 9-området valdes för att det har en blandning av ledningstyper: isolerade luftledning samt blanka i olika areor och kabel i olika åldrar och areor. Teoretiska beräkningar gjordes och jämfördes med värden från DpPower. Den jämförelsen är bifogad i bilaga

1. DpPower gav generering på 19,57 kVAr och handberäkningarna gav 55,01 kVAr.

De var i den korrekta storleksordningen men ändå inte nära nog för att man ska kunna lita på något av värdena.

(22)

Den totala reaktiva effekten ökar exponentiellt från negativa VAr upp till positiva VAr när belastningsströmmen ökar. En teori var att DpPower ger den reaktiva effekten för sträckan under nuvarande belastning. De teoretiska beräkningarna plottades som en funktion av belastningsströmmar från 0 A upp till reservdriftströmmen för den klenaste kabel under facket: 170 A för AXAL-TT 3x50/25. Se figur 8.

Som framgår av figuren, en belastning av 70 A skulle ge samma reaktiva effektgenerering som DpPower ger för Fack 9. Beräkningsjämförelsen i Bilaga 8.1 använder 70 A som belastningsströmmen. Det krävde närmare undersökning i DpPower för att förstå beräkningsfunktionen för den totala kapacitiva reaktiva effektgenerering under Spårningsmenyn.

Närmare undersökning i DpPower, sträcka för sträcka, visade underliga värden. Den gav 1,94 kVAr kapactiv generering både för en 29,7-meters FEAL 99-sträcka och en 159,8-meters FEAL 99-sträcka. Det fanns också en 466,6 meter AXCEL 3x150-sträcka som enligt DpPower genererar 4 gånger mer reaktiv effekt än en 1 532 meter AXCEL 3x50-sträcka. I verklighet borde den längre sträckan generera nästan 2,5 gånger större reaktiv effekt. Det blev därmed uppenbart att beräkningsfunktionen inte var pålitlig och att projektet skulle kräva noggranna handberäkningar.

4.3 Förändringar kvantifieras

Utifrån målbilden kunde den kommande förändringen i reaktiv effekt nu beräknas för varje utgående fack i mellanspänningsnätet. Med kabeldata till hjälp och formel

2, 3, 8 och 10, skapades en Excel-sammanställning som visar bidraget till reaktiva

effektförändringen för varje delprojekt. Hänsyn togs till både de kapacitiva och induktiva egenskaperna i den gamla ledningen och i ersättningsledaren. Den kompletta sammanställningen av resultaten är bifogade som bilaga 8.2.

Märkström för 3x50 Maxström för 3x50 vid reservdrift

-100 -50 0 50 100 150 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Belastningströmmen i A

Reaktiveffekt i kVAr(I): Station A Fack 9

(23)

Det kapacitiva reaktiva effektbidraget är i princip konstant eftersom spänningsnivån för en sträcka är konstant inom ett smalt intervall, men ledningens induktans gör att det induktiva reaktiva effektbidraget varierar med belastningsströmmen.

Förändringen som kommer att förändra den reaktiva effektbilden mest är övergången från friledning till kabel. Den illustreras i figur 9 med ett delprojekt från 20 kV-nätet, Station S och fack 4.

Figur 9 visar en 2,07 km-sträcka av AXAL-TT PRO 3x240 som ersätter en 1,38 km

FEAL 234-sträcka. Reaktiva effektvärden visas från obelastade tillstånd till kabelns märkström. Vid 20 kV nominal huvudspänning har den nya kabeln en driftkapacitans på 0,27 F, medan friledningen har en driftkapacitans på endast 0,006 F. Induktansen är 3,5 gånger större för friledning, med 1,05 mH respektive 0,3 mH. De båda ledningarna har sina min-värden vid obelastade tillstånd och max-värdet vid märkström. Vid cirka 30 A belastningström börjar friledningen förbruka reaktiv effekt. Även vid märkström har matarkabeln inte börjat förbruka utan genererar fortfarande reaktiveffekt.

Detta innebär betydande förändringar för det framtida elnätet. För att ge perspektiv på detta: denna kabelsträckan på drygt 2 km kommer även under hög belastning att motsvara den reaktiva effektgenereringen från en 30 kVAr utlokaliserad shuntkondensator vilket är ett typiskt värde för en mindre shuntkondensator. Avståndet mellan kurvorna i figur 9 blir större och större med ökad belastning. Nettoförändringen i reaktiv effekt blir mer och mer negativ ju högre belastningsströmmen är. I framtiden betyder det att skillnaden i reaktiv effekt

-100 -50 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 250 300 350 Re ak tiv e ff ekt i k VAr Belastningsström i A FEAL 234

Figur 9: Jämförelse av reaktiv effekt för friledning respektive matarkabel i mark

(24)

kommer att märkas mest under högre belastning. Dock kommer min-värden alltid inträffa vid låg belastning.

För att illustrera rollen som huvudspänningen spelar i reaktiva effektgenereringen kommer ett annat exempel av byte från friledning till markmatarkabel att visas. Det finns en 142 meters-sträcka FEAL 157 under Station M Fack 1 som kommer att bytas mot AXAL-TT PRO 3x240 med skillnaden att den ligger i 10 kV-nätet. Driftkapacitansen för FEAL 157 är lika som för FEAL 234 och induktansen är endast 2,86% högre. I figur 10 ändras längden för ledningssträckorna för att matcha längden från det första exemplet och tydligare visa påverkan av den lägre huvudspänningen.

Den resulterande reaktiva effekten visas från obelastat tillstånd upp till 270 A vilket är märkströmmen för FEAL 157. Resultaten visas tillsammans med de första ledningarna för att lättare kunna jämföras. AXAL-TT PRO 3x240 övergår från generering till förbrukning av reaktiv effekt vid 240 A, en belastning omkring 89%. De friledningarna som visade sig vara opraktiska och oekonomiska att byta mot markkabel ersätts som tidigare sagts med BLX, en isolerad luftledning, för att öka tillförlitligheten. Bytet till BLX innebär dock nästan ingen förändring av den reaktiva effektbilden. De gamla och nya ledningarna hade exakt samma driftkapacitans och samma induktans i alla fallen förutom ett. Vid 62 mm2_{var induktansen något lägre} för BLX, 1,044 mH jämfört med 1,18 mH. Det var ändå värdefullt att ta med dessa sträckor i beräkningen så att den reaktiva effektförändringen inte överskattades.

-100 -50 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 250 300 350 Re ak tiv e ff ekt i k VAr Belastningsström i A FEAL 234 (20 kV-nät) FEAL 157 (10 kV-nät) AXAL-TT PRO 3x240 (20 kV-nät) AXAL-TT PRO 3x240 (10 kV-nät)

(25)

Samma sak gäller för blypapperskabel som kommer att bytas ut. Det innebär inte stora förändringar i reaktiv effekt. I många fall hade den nya och den ersättande kabeln exakt samma induktans och driftkapacitans. När det fanns en skillnad var det oftast att den nya kabeln hade lite större driftkapacitans eller lite mindre induktans: från 0,33 mH till 0,31 mH och från 0,27 F till 0,28 F exempelvis. En del av orsaken var Dala Energis filosofi att lägga nya kabeln med större tvärsnittsarea när man ändå gräver och utvecklar nätet för att kunna ge utrymme för framtida ökning i förbrukning. Även små förändringar kan ha inverkan när man jobbar med en elektrisk krets på elnätets skala. Det är därför viktigt att även ta med dem.

Tabell 1 är en sammanställning av resultaten från bilaga 8.1. Den totala reaktiva

effektförändringen som orsakas av alla planerade förändringar i mellanspänningsnätet visas för varje inmatningspunkt. Med ”inmatningspunkt” avses varje fördelningsstation som möjligtvis kan mata reaktiv effekt upp till Ellevios överliggandenät. 12 av de 19 fördelningsstationerna är inmatningspunkter och de andra ligger under inmatningsstationerna.

Inmatnings station A B C D E I K L M N Q S Total Bidrag till ΔQ i kVAr -761 -276 -243 -664 -200 -1011 -291 -425 -50 -236 -2083 -2000 -8240

Den förväntade förändringen i reaktiv effekt illustreras i figur 11 med hänsyn till belastningsströmmen. De blå kolumnerna är värden från tabell 1, obelastade tillstånd, vilket aldrig inträffar under vanlig drift. De gröna kolumnerna är ΔQ under 100 A belastningsström. Kolumnerna däremellan är värdena för 20, 40, 60 respektive 80 A. Denna representation är mycket förenklad med tanke på att alla ledningarna under en inmatningspunkt aldrig kommer ha exakt samma belastning. Figuren är bara ett sätt att visa hur ΔQ växer med ökad belastning, att ge en känsla för storleken av ökningen.

Tabell 1: ΔQ för varje inmatningspunkt

Figur 11: ΔQ för varje inmatningspunkt med Ib=0-100 A

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 A B C D E I K L M N Q S Re ak tiv e ff ekt i k VAr Belastningsström i A

ΔQ (I) i alla Ellevio-inmatningspunkter

(26)

Intressant för Dala Energi är att se förändringsprognosen i ett per-nätområde format som figur 12. Den avtalade årseffekten med Ellevio är given per geografiskt nätområde där Nätområde 1 omfattas av stationer O till S, Nätområde 2 omfattas av stationer L till N och Nätområde 3 stationer A till K. De nätområdena visas nedan med samma x- och y-axlar som i figur 11.

Ökningen av de tillkommande jordfelsströmmarna för varje utgående fack kunde samtidigt beräknas i samband med att driftkapacitansen togs fram för varje ledning med hjälp av formel 7 och 9. De beräkningarna syns i bilaga 8.2 och visas per inmatningspunkt i tabell 2 nedan. Storleken på den kapactiva jordfelsströmmen är information som är viktig för Dala Energi men behandlas inte djupare i rapporten.

Inmatnings station

A B C D E I K L M N Q S Total

Δ Icj i A 124 45 40 108 33 171 46 69 8 38 171 240 +1093

4.4 Nuläget

Dagens reaktiva effektflöde kunde analyseras med hjälp av mätserier från transformatorerna i varje inmatningspunkt. De flesta mätserierna inkluderade aktiv och reaktiv effekt både till och från elnätet, sett utifrån Ellevios perspektiv. Effekt ”till” visar en effektförbrukning och ”från” visar en effektgenerering i Dala Energis elnät. Det fanns 4 stationer som var utan ”från” värden med anledning av att det inte mäts på dessa transformatorer: C, E, K och M. Reaktiva effektförbrukningen når aldrig så lågt som 0 VAr för Station C. Det kan därför antas att Station C aldrig matar upp reaktiv effekt till överliggande nätet. Med förhållandevis låg effektförbrukning kan man även anta att reaktiva effektgenereringen för Station E, K och M är låg nog för att vara ointressant för överliggande nätets ägare.

Figur 12: ΔQ för alla 3 nätområden med Ib=0-100 A

Tabell 2: Förväntad tillkommande kapacitiva jordfelsström för varje inmatningspunkt

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

Nätområde 1 Nätområde 2 Nätområde 3

R

ea

kt

iv

ef

fekt

i k

V

Ar

Belastningsström i A

ΔQ (I) för alla nätområde

(27)

Värdena som används är medeltimvärden för varje timme från 1 jan 2018 till 30 april 2019. Det finns för- och nackdelar med olika val av mätintervall. En nackdel med detta val är att det är svårt att få perspektiv på rollen som årstiden spelar i belastningsnivån. Det är inte heller möjligt att förstå hur mätintervallet jämförs med andra år. Är mätintervallet verkligen en typisk representation av tidsperioden? Den stora fördelen med att använda de senaste 16 månaderna är att elnätet utvecklas ständigt, så mätintervallet blir representativt för det nuvarande nätet på ett sätt som ett 10-årsintervall inte är.

En viktig faktor i den korrekta tolkningen av nuläget och förståelse för prognosen är de kondensatorbatterierna som finns i nätet idag, i synnerhet de 5 största som ligger i mellanspänningsnätet. Det finns två utlokaliserade på 0,3 MVAr, två i fördelningsstationer på 2,5 MVAr och en i station på 6 MVAr. De bidrar till effektbilden med stor reaktiv effektgenerering, men det är överliggande nätets ägare som bestämmer när de kopplas in och ur så det är logiskt att visa läget för reaktiv effekt med dem borträknade. Det förenklade beräkningarna avsevärt att 4 av 5 var ständigt inkopplade. Den största på 6 MVAr var bortkopplad de första 11 månaderna förutom 9 timmar då reservmatningen användes. De senaste 5 månaderna har den varit inkopplad. Minvärdena för de senaste 16 månader i alla inkopplingspunkter med kompensering bortkopplad finns i tabell 3.

Inmatnings station

A B C D E I K L M N Q S

Qmin i kVAr -213 -318 +105* -11 0* -650 0* -518 0* -84 -3317 -1990

*stationer där från-värden saknades

4.5 Prognos

Den stora utvecklingen av nätet med övergång till kabel sänker basnivån på reaktiva effekten. För att uppskatta det värstafallscenario som kan inträffa för varje inmatningspunkt kan vi kombinera det historiska min-värdet med förändringen i reaktiv effekt som förväntas. Tabell 4 ger en säker prognos eftersom nätet är aldrig helt obelastad under vanlig drift.

Inmatnings station A B C D E I K L M N Q S Qmin Prognos i kVAr -975 -594 -138 -675 -200 -1661 -291 -943 -50 -320 -5400 -3990

4.6 Effektkunder

En till faktor att betänka är hur de största kundernas förbrukning spelar in på den reaktiva effektbilden. Det fanns önskemål om att titta på kunder med en inköpt årseffekt större än 2 MW. Det visade sig vara 4 kunder i denna kategorin. Det fanns data för endast uttag av reaktiv effekt, men 3 av kunderna nådde aldrig 0 VAr under vanlig drift och den fjärde kom ner till 0 VAr endast en väldigt kort tid under låg

Tabell 3: Uppmätt Qmin för varje inmatningspunkt

(28)

belastning. Det innebär att kunderna ska ses som en positiv faktor i kompensering för reaktiva effektgenerering. Max-, min- och medeltimvärden redovisas i figur 13.

Figur 13: Kunder med avtalad årseffekt ≥ 2 MW

0 500 1000 1500 2000 2500

Kund A Kund B Kund C Kund D

Re ak tiv e ff ekt u tt ag i k VAr

(29)

5 Diskussion

5.1 Felkällor

Mätvärden kan alltid vara en felkälla i arbetet med en så stor datamängd. Det fanns flera fall där det upptäcktes fel som det med spårningsmenyn i DpPower. En annan gång gav en sökning på de största kunderna namnet på en kund som inte alls förbrukade så mycket effekt. Lyckligtvis kunde Sven-Olof Mörk se direkt att värdet inte stämde och att felet berodde på kundens mätare. Det nämndes även 4 stationer där Ellevio inte mäter den aktiva och reaktiva effektinmatningen. Det hade varit bra att se värdena men samtidigt verkar det inte vara så mycket inmatning på de stationerna. Arbetet utgick ifrån de värdena som finns och de verkar vara rimliga. Prognosen i arbetet bygger på att den förväntad förändringen i reaktiva effekten adderas till det uppmätta maxpunktsvärdet på reaktiva effektinmatningen för samma fördelningsstation. Rapporten har redan tagit upp möjliga nackdelar med valet av mätintervall. Det som fattas med denna metod är en analys av de vanliga driftförhållanden som är betydande i val av kompensering. Det kommer översiktligt att tas upp i kompenseringsdiskussionen.

Projektet bygger även på den konsumtion som hittills har varit i elnätet och behandlar inte framtida förändringar som man kanske vill se, exempelvis ökad industri i området, övergång till elbilar eller framsteg med effektivitet. Tiden tillät inte analys av sådana faktorer.

5.2 Automatisk beräkning

Det hade varit värdefull för Dala Energi att se över den automatiska beräkningen av reaktiva effektgenerering per ledningssträcka som man borde få med spårningsmenyn i DpPower. Det skulle underlätta enormt i framtiden om den var pålitlig.

5.3 Riskanalys

Det som riskanalysen och rapporten framförallt behandlar är huruvida Dala Energi riskerar straffavgifter från Ellevio som är ägaren till det överliggande nätet. Det är förstås inte den enda anledningen till att man vill hålla en bra reaktiv effektbalans. Det är viktig för elnätskunderna att den reaktiva effektnivån och den resulterande spänningsnivån är inom ett intervall som inte skadar deras apparater och leder till elavbrott.

(30)

Då en sådan överenskommelse inte finns idag måste man utgå ifrån att reaktiv effekt får aldrig matas in på överliggande nätet.

Det reaktiva effektbidraget från alla kondensatorbatterier räknas bort i tabell 3 & 4 eftersom det är Ellevio som bestämmer när de kopplas bort och in igen. 8 av 12 stationer matade reaktiv effekt upp till Ellevio åtminstone vid någon timme under senaste 16 månaderna. Det är endast 4 stationer som har matat upp över 0,5 MVAr: I, L, Q och S, men det kan ändå inte accepteras med nuvarande abonnemanget. Prognosen är att alla 12 stationer är på väg till oacceptabel inmatning av reaktiv effekt med 7 av 12 som kommer med all sannolikhet att mata upp över 0,5 MVAr vid vissa tillfällen.

Ska man generalisera så är det Nätområde 1 som är det stora problemområdet idag. Det är förståeligt med tanke på att 20 kV-nätet ingår i Nätområde 1 och att Nätområde 2 och 3 innehåller 10 kV som mest. Nätområdet 1 gjorde sin högsta inmatningstimme en sen sommarnatt med 3,1 MVAr och håller en medelinmatningsnivå på 0,628 MVAr.

Reaktiva effektinmatningen skulle kunna vara ett mycket större problem idag i Nätområde 3. Mellanspänningsnätet i området består redan idag av 523 km markmatarkabel. Detta kan jämföras med det som finns redan i mellanspänningsnätet i Nätområde 1 och 2: 203 respektive 151 km. Räddningen för Nätområde 3 verkar vara att 3 av de 4 största effektkunderna ligger i området: kund A, C och D. Tillsammans står de för en reaktiv effektförbrukning på 2,28 MVAr i genomsnitt. Detta gör att medelvärdet på reaktiv effekt är en förbrukning på 122 kVAr, dock kan området stundtals mata in reaktiv effekt på några hundra kVAr. Det kan vara en god ide att ta kontakt med effektkunderna då det inte är helt otänkbart att de har reaktiv effektkompensering inkopplad. Skulle de koppla bort den kunde de bidra ytterligare till reaktiv effektförbrukning i nätet.

5.4 Nytt avtal

Hittills har Dala Energi inte fått betala straffavgifter för inmatning av reaktiv effekt. Man kan undra varför med tanke på att 8 stationer matar in reaktiv effekt ibland och Station Q har en medelinmatning på över 1 MVAr. Kombinera detta med att, på Ellevios begäran, kondensatorbatterier inkopplas som höjer inmatningsmedelvärdet till cirka 6 MVAr för både Nätområde 1 och 3.

Antagligen behöver överliggandenätet den genereringen av reaktiv effekt som kommer från Dala Energi idag. Detta måste diskuteras vidare för att komma fram till ett nytt avtal med tanke på att Dala Energi riskerar straffavgifter redan nu och att inmatningen antagligen kommer att öka med varje år. Visserligen går det att kompensera för den reaktiva effektinmatningen som finns idag, men det hade varit värdefullt att veta om reaktiva effekten önskas vara upp till en viss nivå innan den kompenseras bort.

(31)

5.5 Kompensering

Användning av shunt reaktorer med fast förbrukningsnivå kan vara önskvärd från ett ekonomiskt perspektiv. Det är dessutom en enklare reglering. En stor utmaning och hinder för detta är framförallt i Nätområde 1 och 2 där de tillåtna intervallen för reaktiv effekt är väldigt smala. Nedre gränsen idag är 0 VAr. Den övre gränsen för Nätområde 2 är 5,5 MVAr och den övre gränsen för Nätområde 1 är endast 3,15 MVAr (med en uttagsgräns på 25 respektive 15% av den avtalad årseffekten).

Reaktiv effekt varierar under dygnet med förändringar i belastning. När man kopplar in en shuntreaktor förflyttar man det reaktiva effektintervallet uppåt med värdet för reaktorn. I vårt fall måste vi flytta intervallet upp över 0 VAr för att undvika inmatning. Når man samtidigt den övre gränsen kan man riskera straffavgifter för förhöjt uttag av reaktiv effekt istället. Se det reaktiva effektintervallet för Nätområde 1 i figur 14.

Negativa värden i figur 14 visar reaktiva effektinmatning. Det syns att under de varma månaderna blir den reaktiva effekten mer kapacitiv på grund av minskad effektförbrukning i elnätet. Den reaktiva effekten varierar inom drygt 6 MVAr under året så det är uppenbart att en fast reaktor skulle behöva kopplas bort och in igen flera gånger under året. Zoomar man in ser man att den reaktiva effekten kan variera över 3,15 MVAr under bara ett dygn. Så högfrekvent växling skulle vara slitsamt. Hade en viss inmatning tillåtits, till exampel 2 MVAr, så skulle intervallet ha blivit 2 MVAr större och inte kräva så frekvent växling.

Som det är nu måste en variabel shuntreaktor användas för kompensering. De extra pengarna som man betalar för den kan troligtvis tjänas in igen med den jämna

Figur 14: Reaktiva effektvariation för Nätområde 1

(32)

(33)

7 Referenser

[1] Alfredsson A, Rajput R. Elkretsteori. Stockholm: Liber; 2009.

[2] Jacobsson K A, Lidström S, Öhlén C. Elkrafthandboken, Elkraftsystem 1. Stockholm: Liber; 2003.

[3] NKT cables AB, Kraftkabelhandboken. 2015.

[4] Jacobsson K A, Lidström S, Öhlén C. Elkrafthandboken, Elkraftsystem 2. Stockholm: Liber; 2016.

[5] Alfredsson A, Jacobsson K A. Elkrafthandboken, Elmaskiner och elektriska drivsystem. Stockholm: Liber; 2016.

[6] Arbetsmiljöverket. Kreosot i stolpen? – Om skydd vid arbete i stolpar. 2019 [7] Patton G. PILC cable: We're still living with it. Electric Energy Magazine [Internet]. 2003 [citerat 15 maj 2019]; (March/April):42. Available from: https://electricenergyonline.com/energy/magazine/88/article/PILC-cable.htm

[8] Ibraim A, Dommel H. A Knowledge Base for Switching Surge Transients. [Internet].

2005 [citerat 22 maj 2019] Available from:

http://www.ipstconf.org/Proc_IPST2005.php

[9] ABB. Power Capacitors and Harmonic Filters Buyer’s Guide. [Internet]. 2013. [citerat 23 maj 2019] Available from: https://search-ext.abb.com/library/ Download.aspx?DocumentID=1HSM954332-00en&LanguageCode=en&

DocumentPartId=&Action=Launch

(34)

8 Bilagor

8.1 Kontrollberäkning

Objekttyp Ledning Huvudspänning (kV) Driftkapacitans/fas/km (uF) Induktans/fas/km (H) Belastning (A) grafisk längd (km) tilläggslängd (km) sträcka (km)

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0024 0 0,0024

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0029 0,0001 0,003

Serviskabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,0054 0,0001 0,0055

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0049 0,0001 0,005

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0291 0,0006 0,0297

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,048 0,001 0,049

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,1368 0 0,1368

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,1547 0,0051 0,1598

Matarkabel mark AXAL-TT 3x50/25 10,65 0,23 0,00034 70 0,229 0,0043 0,2333

Matarkabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,2647 0,0046 0,2693

Matarkabel mark AXCEL 3x95/16 10,65 0,3 0,00031 70 0,2947 0,0049 0,2996

Matarkabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,3762 0,0058 0,382

Matarkabel mark AXAL-TT PRO 3x150/35 10,65 0,33 0,00029 70 0,4295 0,0063 0,4358

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,4889 0,0098 0,4987

Matarkabel mark AXAL-TT PRO 3x150/35 10,65 0,33 0,00029 70 0,4989 0,005 0,5039

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,7217 0,0144 0,7361

Isolerad friledning BLX 99 10,65 0,006 0,00111 70 1,0865 0,0257 1,1122

Friledning FEAL 62 10,65 0,006 0,00118 70 2,2173 0 2,2173

total i km 10,4734 friledning i km 4,95 kabel i km 5,5234

Objekttyp Ledning Huvudspänning (kV) Driftkapacitans/fas/km (uF) Induktans/fas/km (H) Belastning (A) grafisk längd (km) tilläggslängd (km) sträcka (km) ind. Q VAr/km kap. Q VAr/km Netto Q kVAr/km total Q i VAr Q - dpPower

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0024 0 0,0024 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,011789617 0

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0029 0,0001 0,003 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,014737021 -3

Serviskabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,0054 0,0001 0,0055 3047,973193 10689,81878 -7,641845591 -0,042030151 -0,03

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0049 0,0001 0,005 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,024561702 9,53

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,0291 0,0006 0,0297 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,145896509 -1,94

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,048 0,001 0,049 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,240704678 -3

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,1368 0 0,1368 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,672008161 -1,13

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,1547 0,0051 0,1598 5126,136734 213,7963757 4,912340358 0,784991989 -1,94

Matarkabel mark AXAL-TT 3x50/25 10,65 0,23 0,00034 70 0,229 0,0043 0,2333 1570,168008 8195,527734 -6,625359726 -1,545696424 6,21

Matarkabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,2647 0,0046 0,2693 3047,973193 10689,81878 -7,641845591 -2,057949018 -1,53

Matarkabel mark AXCEL 3x95/16 10,65 0,3 0,00031 70 0,2947 0,0049 0,2996 1431,623772 10689,81878 -9,258195012 -2,773755225 -1,67

Matarkabel mark AXCE 1x95/25 10,65 0,3 0,00066 70 0,3762 0,0058 0,382 3047,973193 10689,81878 -7,641845591 -2,919185016 -3,2

Matarkabel mark AXAL-TT PRO 3x150/35 10,65 0,33 0,00029 70 0,4295 0,0063 0,4358 1339,260948 11758,80066 -10,41953971 -4,540835407 -2,66

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,4889 0,0098 0,4987 5126,136734 213,7963757 4,912340358 2,449784136 -3

Matarkabel mark AXAL-TT PRO 3x150/35 10,65 0,33 0,00029 70 0,4989 0,005 0,5039 1339,260948 11758,80066 -10,41953971 -5,250406062 -8,39

Matarkabel mark AXCEL 3x50/16 10,65 0,23 0,00034 70 0,6702 0,0087 0,6789 1570,168008 8195,527734 -6,625359726 -4,497956718 12,35

Friledning FEAL 99 10,65 0,006 0,00111 70 0,7217 0,0144 0,7361 5126,136734 213,7963757 4,912340358 3,615973737 2,21

Isolerad friledning BLX 99 10,65 0,006 0,00111 70 1,0865 0,0257 1,1122 5126,136734 213,7963757 4,912340358 5,463504946 3,4

Friledning FEAL 62 10,65 0,006 0,00118 70 2,2173 0 2,2173 5449,406618 213,7963757 5,235610242 11,60891859 9,51 total i km 10,4734 Summa kVAr Fack H22 M1 -> -19,69836455 -19,57 ind. Q VAr/km kap. Q VAr/km Netto Q kVAr/km total Q i VAr Q - dpPower