2015-05-25
Analys & kartläggning av Uddevalla citys mellanspänningsnät
Martin Bjurelid Emran Murina
EXAMENSARBETE
Analys & kartläggning av Uddevalla citys mellanspänningsnät
Sammanfattning
Kraven på ett driftsäkert elnät ökar hela tiden i takt med att elanvändning blir allt viktigare i dagens samhälle. Luftledningar byts ut med markkabel och möjlighet till reservmatningar samt bra elkvalitet är av hög prioritering.
Skicket på elnätets utrustning försämras med åren och kommer med tiden behöva bytas ut.
Med uppdrag från Uddevalla Energi AB har siffror tagits fram berörande spänningsfall, kapacitiv jordfelsström och belastningar vid normaldrift och reservmatning, samt ålder och typ på kablar i Uddevalla citys mellanspänningsnät. Den här rapporten presenterar dessa resultat och ger några förslag på ändringar om så krävs. Även en del om planerade framtida utbyggnationer tas upp och hur dessa påverkar nätet.
För att få fram resultaten används Uddevalla Energis program för nätberäkning,
”DpPower”.
Beräkningarna visade att vid normaldrift var alla värden godkända enligt tumregler som Uddevalla Energi följer. Vid reservmatning däremot var vissa linjer överbelastade, analysen visar dock tillgängliga lösningar. Ålder och status på kablar i nätet varierar stort vilket gör det svårt att specificera hur ombyggnationer ska ske. Hänsyn bör istället tas till
överbelastningar.
Datum: 2015-05-25
Författare: Martin Bjurelid, Emran Murina Examinator: Andreas Petersson
Handledare: Mikael Kallin, Uddevalla Energi AB/ Joakim Axelsson, högskolan Väst.
Program: Högskoletekniker, Elkraft, 120 hp
Huvudområde: Elektroteknik Utbildningsnivå: Grundnivå
Poäng: 15 högskolepoäng
Nyckelord: Kablar, spänningsfall, belastning, jordfelsström, reservmatning Utgivare: Högskolan Väst, Institutionen för ingenjörsvetenskap,
BACHELOR’S THESIS
Analysis & mapping of the medium voltage network in Uddevalla city
Summary
The demand of reliable power distribution is increasing as the usage of power is increasing in the society of today. Overhead lines are replaced by underground cables, availability to reserve power supply and power quality is of high priority.
The condition of the equipment deteriorates over the years and will eventually have to be replaced. By request from Uddevalla Energi, values have been provided concerning voltage drop, capacitive ground fault current and loads during normal operation and standby power supply. The types and ages of cables in Uddevalla City’s high-voltage network has also been looked at. This report presents these results and gives some suggestions for modifications if required. Planned future deployments are looked over and how these may affect the network.
To obtain these results the network calculating program “DpPower” was used.
The calculations presented shows that in normal operation all values are approved within the company standards that Uddevalla Energi follows. For the reserve supply however, some lines are overloaded. The analysis shows possible solutions for these issues. Age and status of cables in the network varies widely, making it difficult to specify how
redevelopments should take place. Instead the overloads should be given more consideration.
Date: May 25 2015
Author: Martin Bjurelid, Emran Murina Examiner: Andreas Petersson
Advisor: Mikael Kallin, Uddevalla Energi AB/ Joakim Axelsson, högskolan Väst Programme: Higher Education Technician, Electric Power Technology, 120 he credits Main field of study: Electrical Engineering Education level: First cycle Credits: 15 HE credits
Förord
Examensarbetet utfördes under våren 2015 på uppdrag av Uddevalla Energi Elnät AB och avslutar våra studier på teknikerprogrammet med elkraftsinriktning på Högskolan Väst.
Alla figurer i arbetet är tagna/gjorda av projektgruppen såvida inget annat anges i figurtexten.
Vi vill passa på att tacka alla medarbetare på Uddevalla Energi Elnät AB som hjälpt oss med arbetet, främst vår handledare Mikael Kallin. Vi vill också tacka vår handledare vid Högskolan Väst Joakim Axelsson som gett mycket feedback på rapporten.
Examensarbetet bör skrivas ut i färg för att ta del av alla figurer.
Innehåll
Sammanfattning ... i
Summary ... ii
Förord ... iii
Nomenklatur ... v
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund/problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte/mål ... 2
1.3 Avgränsningar ... 2
2 Metod/tillvägagångssätt ... 2
3 Teori/matematiska modeller ... 3
3.1 Olika utformningar av lokalnät ... 3
3.2 Spänningsfall i ledningar ... 5
3.3 Kapacitiva jordfelsströmmar ... 6
3.4 Vattenträd i kablar (Treeing) ... 7
3.5 Överbelastning av transformatorer ... 8
4 Nuvarande elnät ... 9
4.1 Kabeltyper ... 10
4.2 Mottagningsstationerna ... 12
4.3 Radialer i nätet ... 14
5 Planerade utbyggnationer ... 15
6 Resultat ... 16
6.1 Kablar i nätet ... 16
6.2 Normaldrift ... 18
6.2.1 Spänningsfall & belastningar ... 18
6.2.2 Kapacitiva jordfelsströmmar ... 22
6.3 Reservmatning ... 23
6.3.1 Spänningsfall & belastning ... 23
6.3.2 Kapacitiva jordfelsströmmar ... 27
7 Analys/diskussion ... 28
8 Slutsatser och framtida arbete ... 30
Bilagor
A. Kablarnas ålder (Figur)
Nomenklatur
∆U spänningsfall
Icj kapacitiva jordfelsströmmar Ixj reaktiva jordfelsströmmar Irj resistiva jordfelsströmmar
A Ampere
V Volt
R Resistans
Z Impedans
X Reaktans
C Kapacitans
φ Fasvinkel
1 Inledning
Uddevalla Energi Elnät AB är ett dotterbolag till företaget Uddevalla Energi AB, det ingår i koncernen Uddevalla Utvecklings AB som ägs helt av Uddevalla kommun.
Bolagets verksamhet går ut på att försörja Uddevalla med säker och avbrottsfri el. Till detta hör planering, projektering, byggande, drift och underhåll av ledningar, ställverk och transformatorer, anslutning av elektriska anläggningar, mätning av överförd effekt och energi och annat som krävs för överföring av el. Uddevalla Energi Elnät AB ansvarar för eldistribution av ca 380GWh till 25000 abonnenter.
Under senare år har stor del av arbetet inneburit utbyte från luftledningar till markförlagd kabel för att öka driftsäkerheten. Under 2011 var driftsäkerheten hela 99.997%.
1.1 Bakgrund/problembeskrivning
Uddevalla Energi ansvarar för Elnätet i Uddevallas cityområde. Större delen av nätet byggdes på 1960-70 talet och börjar bli föråldrat. Utrustningen och kablarnas livslängd går mot sitt slut och det är dags att successivt byta ut de, för att förhindra haveri p.g.a.
föråldringsfel.
Eftersom det inte är möjligt att byta allt på en gång så behövs en överblick på elnätets status för att identifiera de sämre delarna.
Reservmatningsmöjligheterna är viktiga då nätet byggs om och vissa delar kopplas ifrån, för att kunder ska påverkas så lite som möjligt.
Eftersom Uddevalla Energi av driftsäkerhetsskäl har valt att gräva ner största delen av nätet i form av markkabel så kan även kapacitiva jordfelsströmmar i kablarna vara ett problem då beröringsspänningen vid jordfel kan bli för hög.
Belastningsförmågan hos kablar och transformatorer måste kontrolleras vid nybyggnationer så att de tillfredsställer de nya kraven på belastningsförmåga.
1.2 Syfte/mål
Målet är att identifiera flaskhalsar i Uddevalla citys elnät vid normaldrift och reservmatning, samt att undersöka status hos kablar och utrustning.
Viktiga parametrar som överses är kablars ålder och typ, reservmatningsmöjligheter, leveranskapacitet och elkvalitet (spänningsfall), kända framtida utbyggnadsplaner samt förlustberäkningar.
1.3 Avgränsningar
Rapporten berör endast mellanspänningsdelen av elnätet i Uddevallas tätort. Alltså utesluts lågspänningsnät och landsbygd. De fördelningsstationer som ses över är M1, M2 och M5 samt tillhörande nätstationer och kablar.
Ingen hänsyn tas till kostnader eller ekonomiska frågor.
2 Metod/tillvägagångssätt
För att kunna bestämma statusen på de olika delarna i elnätet används Uddevalla Energis program DpPower, där karta och schema över elnätets kablar, stationer samt tillhörande delar finns att tillgå.
Längd, ålder och typ på kablarna som går från stationerna M1, M2 och M5, bestäms med insamlad data i DpPower, och sedan sorteras de så att det enkelt går att analysera dess status.
Olika värden, såsom Icj (kapacitiva jordfelsströmmar) och ∆U (spänningsfall), finns uträknade i DpPower. Dessa värden tags fram och läggs in på Excel för att dokumenteras och användas i resultatberäkningen. Som referensvärden på matning används belastningar tagna från vinterhalvåret 2010, då vintern var kall, för att beräkna de högsta spänningsfallen och belastningarna.
Vid beräkning av reservmatningsmöjligheter kopplas de normalt öppna brytarna om för att simulera reservmatning och sedan beräknas återigen ∆U samt belastning.
För att få information om framtida utbyggnadsplaner intervjuas Hans Johansson, arkitekt på Uddevalla Kommun.
Till teorikapitlet görs litteraturstudie.
Intervjuer med UEAB personal görs vid behov.
3 Teori/matematiska modeller
3.1 Olika utformningar av lokalnät
Lokalnäten (10-20kV) i Sverige är huvudsakligen utformade på två olika sätt, radiellt eller slingat. Båda sätten har sina för- och nackdelar.
Ett radiellt elnät är uppbyggd så att det finns en inmatningspunkt och sedan flera uttag. Till varje uttag finns det en ledningsväg vilket medför att ett fel på föregående ledning gör att alla uttag därefter blir strömlösa. Radiella elnät används huvudsakligen på landsbygden då ledningsvägar är långa och möjligheten till reservmatning är låg.
Figur 3.1.1 visar ett radiellt nät med flera stationer matade av en transformator.
Figur 1 radiellt elnät utan omkopplingsreserv.
Till skillnad från ett radiellt nät så har Slingade elnät flera inmatningspunkter men även det flera uttag. Stationer matas radiellt med skillnaden att om en ledning
havererar så kan nätet kopplas om så att strömmen leds en annan väg. Den här typen av nät är fördelaktig i stadsområden där ledningsvägar är kortare och reservmatning är både viktigare och lättare att åstadkomma.
Figur 3.1.2 visar ett slingat nät där omkoppling kan ske för reservmatning. [1]
Figur 2 slingat elnät med omkopplingsreserv.
3.2 Spänningsfall i ledningar
Spänningsfall eller ∆𝑈 är skillnaden mellan spänningen som matas in, 𝑈1 och spänningen som man får ut, 𝑈2. Spänningsskillnaden påverkas av flera aspekter, såsom ledarens längd, ledararea, ledarmaterial etc. Dessa parametrar påverkar ledarens impedans och därmed spänningsfall.
Spänningsfallet vid trefas växelström uträknas med följande formel:
∆𝑈 = √3 ∙ 𝑅 ∙ 𝐼 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑2+ √3 ∙ 𝑋 ∙ 𝐼 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜑2 (1) där
R är ledarens resistans
I är strömmen som går genom ledaren X är ledarens reaktans
φ1 är fasvinkel för U1 φ2 är fasvinkel för U2
Figuren nedan är ett visardiagram som beskriver förhållandet mellan spänningarna 𝑈1, 𝑈2 och ∆𝑈.
Figur 3 Spänningsfall i apparat eller ledning med resistansen R och reaktansen X.
Notera att i figuren är fasvinkeln överdrivet ritad för att tydligare visa förhållandet mellan spänningarna.
Som formeln visar är spänningsfallet beroende av belastningen samt reaktansen X.
Vid hög belastning ökar strömmen I, resistansen R, reaktansen X och därmed värdet på ∆𝑈.
Ett för högt spänningsfall kan leda till olika problem i en elanläggning, t.ex. svagare belysning eller utebliven funktion hos apparater.
För att hålla spänningen så konstant som möjligt används automatisk
spänningsreglering i form av lindningskopplare på transformator som reglerar omsättningen och därmed matande spänning.
Tidigare mätningar som gjorts visar att vid 10kV-linjer bör man hålla spänningsfallen under 7 % för att få en acceptabel spänningshållning. [2]
3.3 Kapacitiva jordfelsströmmar
Kraven på att elleverantörer ska leverera avbrotts- och störningsfri el är väldigt höga.
Det medför att många väljer att byta ut de oisolerade luftledningarna i nätet mot markförlagd kabel.
De positiva följderna med detta är att man eliminerar åverkan från naturen i form av t.ex. stormar då träd faller på ledningen och orsakar avbrott. En negativ påföljd är dock ökningen av kapacitiva jordfelsströmmar. Dessa strömmar kan medföra ökad spänning i ett eventuellt felställe. Myndigheterna kräver att beröringsspänningen i utsatt del inte får överskrida 100V, därför måste de kapacitiva jordfelströmmarna kompenseras bort. Kompenseringen sker med hjälp av en nollpunktsreaktor mellan matande transformators nollpunkt och jord. I kabellinjer då den kapacitiva
jordfelsströmmen anses vara för hög kan det placeras så kallade utlokaliserade reaktorer för ytterligare kompensation. En tumregel som används på Uddevalla Energi, enligt Mikael Kallin, är att den kapacitiva jordfelsströmmen ej ska överskrida 20 % av matande transformators märkström.
Nollpunktsreaktorns uppgift är att generera en induktiv ström i motfas med den kapacitiva för att avstämma dessa.
Nollpunktsreaktorns spole ställs in på ett värde för att komma väldigt nära avstämningspunkten. Det beror på att nollpunktsspänningsskyddet då lättare kan upptäcka jordfel med hög resistans. Man undviker att ställa in spolen på exakt
avstämningsvärde för att inte få problem med resonans mellan nollpunktsreaktor och nät.
Formeln för jordfelsström är följande:
𝐼𝑗 = √𝐼𝑅𝑗2 + (𝐼𝐶𝑗− 𝐼𝑋𝑗)2 (2)
Där
𝐼𝑅𝑗 är resistivt strömbidrag från nollpunktsreaktorns motstånd.
𝐼𝐶𝑗 är kapacitivt strömbidrag från huvudsakligen kablar.
𝐼𝑋𝑗 är induktiv ström vars uppgift är att kompensera den kapacitiva strömmen för att reducera jordfelsströmmen.
Storleken på resistorn 𝑅 i nollpunkten väljs vanligen så att vid fullt utbildat jordfel blir 𝐼𝑅𝑗 = 5𝐴
Beröringsspänningen 𝑈𝐹 får som sagt inte överskrida 100V.
𝑈𝐹 = 𝐼𝑗× 𝑅𝑗
Jordfelströmmen multiplicerat med uppmätt jordtagsresistans ska alltså vara <100V för att kraven för personsäkerhet ska vara uppfyllda.
Elektriskt sett kan en kabel ses som en kondensator. Ledaren är den ena elektroden och skärmen den andra. Isoleringen emellan är kondensatorns dielektrikum. [4]
Figur 4 kabel som kondensator.
3.4 Vattenträd i kablar (Treeing)
År 1965 började kablar med isolation i form av PEX (tvärbunden polyeten) tillverkas.
Dessa kablar blev snabbt väldigt populära på kabelmarknaden och installerades flitigt av många företag. Framför allt vid spänningsnivåer på 10-24kV.
Kablar av den här typen som installerades fram till 1980-talet har dock uppvisat en stor summa isolationsfel. Dessa isolationsfel är främst en konsekvens av så kallad
”treeing” eller på svenska ”vattenträd”.
Vattenträd i kablar uppstår då fukt och andra orenheter tränger in i
isolationsmaterialet i kombination med kabelns ständiga elektriska fält. Följden av vattenträd är att det uppstår trädliknande strukturförändringar i isolationen, om dessa strukturförändringar når en tillräcklig längd kan det bli genomslag i kabelns PEX- isolering. Fenomenet uppstår i alla kablar som inte är helt skyddade från vatten.
Om vattenträd har förekommit i en kabelsträcka är risken stor att det på flera ställen uppstått samma problem, därför bör det övervägas om utbyte av hela kabeln är mer lönsamt än reparation. [3]
3.5 Överbelastning av transformatorer
En transformators uppgift är att omvandla spänningar till önskad nivå. Det används olika isolationstyper i transformatorer men den vanligaste är oljeimpregnerat papper.
För att oljan ska ha hög kvalitet, som påverkar dess livslängd, måste den skyddas från föroreningar. Men även om oljan är fri från föroreningar kommer den fortfarande att åldras, och det p.g.a. oxidering. Oxideringens hastighet beror mycket på temperaturen i transformatorn och mängden syre. I drift har transformatorn en temperatur omkring 60-70°C och då är oxideringen långsam. Vid överbelastning av transformatorn under en kort tid där temperaturen stiger över 100°C, dubblas oxideringshastigheten.
Därför bör inte en transformator överbelastas under en längre tid. De höga strömmarna som går igenom transformatorn medför en mycket högre temperatur som gör att oljan oxiderar snabbare, som i sin tur gör att transformatorn åldras snabbare än beräknat. [5]
4 Nuvarande elnät
Uddevalla Energi ansvarar för ett koncessionsområde som är 600 𝑘𝑚2 stort. Elnätet är till större del uppbyggt som ett slingat nät, med enstaka radialer.
Följande tabell visar elnätets totala längder av luftledning & markkabel samt kabellängder för Cityområdet som överses i denna rapport.
Tabell 1 kabellängder i mellanspänningsnätet.
Anläggning Totalt Beräknat område (city)
Luftledning 10 kV 57 km 3.25 km
Markkabelnät 10 kV 460 km 196.4 km
Nedanstående figur visar delen av Uddevalla Energis elnät som överses i den här rapporten. Röda linjer visar 10kV-nätet, gula 40kV-nätet och blå linjer är gränsen för koncessionsområdet.
Figur 5 karta över mellanspänningsnätet i Uddevalla city
4.1 Kabeltyper
Då majoriteten av nätet är byggt under 60-70 talet har en stor del pappersisolerad kabel av typ ACJJ och FCJJ använts. Eftersom den typen av kabel är väldigt ömtålig har skador skett vid nedgrävning av fjärrvärme eller andra arbeten, därmed har det skarvats med modernare PEX-isolerad kabel.
Även vid ombyggnationer/nybyggnationer används PEX-isolerad kabel.
Tabell 2 kabeltyper i elnätet med längd.
Kabeltyp Längd (m)
ACJJ 76 446
ACJK 2 262
AXCE 8 401
AXCEL 21 497
AXCL 380
AXCLIGHT 9 391
AXCLIGHT/O 1 276
AXCL-LT 39
AXCL-OLT 336
AXKJ 7 402
AXLJ 19 303
AXLJ-F 35
FCJJ 49 652
Tabell 3 kabelbeteckningar
Bokst av
Första bokstaven
Andra bokstaven
Tredje bokstaven
Fjärde bokstaven
Femte bokstaven Ledare Isolering Mantel
Användni
ng Användning
A Aluminium
Skärm av alu-
folie
C
Impregnerat papper
Koncentrisk skärm av
koppartråd
E
koppar, entrådig
Etenpropeng
ummi
Förstärkt utförande
Förstärkt utförande
F
koppar, flertrådig
Fläta av koppartråd
Fläta av koppar- /ståltråd J Ståltråd
Armering av stålband
Förläggnin g i mark
K PVC
Mantel av PVC
Mantel av PVC
Mantel av PVC
X PEX
Mantel av PVC, ovalt
tvärsnitt
4.2 Mottagningsstationerna
M1 är den största mottagningsstationen i nätet som Uddevalla Energi har. Den transformerar ner spänningen från 40kV till 10kV. 26 ledningar går från M1 vidare till olika nätstationer i Uddevallas tätort. Gula linjer representerar 40kV som matas in från Vattenfalls elnät. De röda är Uddevalla Energis 10kV nät. Det är dessa linjer som berörts vid alla beräkningar som presenteras.
Figur 6 driftschema mottagningsstation M1
M2 är den minsta mottagningsstationen av de tre som finns med i denna rapport med 9 ledningar ut i nätet.
Figur 7 driftschema mottagningsstation M2
M5 är inte mycket större än M2. M5 har 12 ledningar som går ut i nätet.
4.3 Radialer i nätet
Uddevalla Energis elnät är uppbyggt som ett slingnät för att alltid kunna reservmata vid fel i en kabel eller nätstation. I praktiken kan det dock i vissa fall vara svårt att alltid ha möjlig reservmatning, vilket resulterar i enskilda radialer i nätet. Skulle ett fel uppstå vid en sådan punkt måste reservkraftaggregat användas. Storleken på
tillgängligt reservkraftaggregat är begränsat till 230kVA vilket kan medföra att om en transformator med för stor belastning blir strömlös tar det längre tid innan påverkade kunder får strömmen tillbaks. Då lagen säger att en kund inte får vara strömlös längre än 24 timmar kan det bli väldigt dyrt om många kunder drabbas. I regel kan dock en felande transformator bytas ut inom 12 timmar, i sådant fall att reservkraft ej går att tillämpa.
Följande figur visar en typisk enskild radial i Uddevalla Energis Elnät med
primärmatning från höger och tillgänglig reservmatning från vänster. Vid händelse att radialen blir strömlös så finns det dock inga möjliga reservmatningsvägar förutom reservkraftaggregat.
Figur 9, enskild radial i slingnät
5 Planerade utbyggnationer
Det Uddevalla Energi vet angående utbyggnadsplanerna i Uddevalla tätort just nu är att det ska byggas nya bostäder vid hamnen och att det ska byggas industrier i Lillesjö.
Men efter en intervju med Hans Johansson, arkitekt på Uddevalla kommun, kom det fram att planeringarna inte riktigt var färdiga än. Bostäderna vid hamnen ligger 25-40 år fram säger Hans, men att det redan finns en detaljplan för industrierna på Lillesjö.
Det bästa matningsalternativet för industrierna på Lillesjö bör bli från M1 för att de kommande två åren kommer både M1 och M2 byggas ut och att M1 ligger geografiskt närmast. M1 kommer eventuellt få en till transformator, det är också en fördel för matningen.
Under intervjun nämnde Hans också att nya industrier kommer att byggas i Fröland.
Då UEEAB även planerar att bygga om M5 mellan åren 2019-2023, bör det finnas med i planeringarna.
Figur 10, visar karta över Uddevalla
6 Resultat
För att kunna se om nätet i Uddevallas tätort har godkända värden har olika
beräkningar gjorts. Spänningsfall, belastningar och Icj har beräknats vid normal drift och vid reservmatning. Dessa värden var viktiga att få fram för att kunna bestämma var och varför ombygge och byten krävs. Beräkningarna är gjorda utifrån belastningar januari 2010.
6.1 Kablar i nätet
Tabellen nedan visar ett exempel på linje L214 där det syns hur många olika kabeltyper som används samt åldersskillnaden på dem. Gråmarkerat fält är skarv på tidigare nämnd kabel.
Tabell 4 ledningstyper och installations år L214
Som tabellen visar varierar ålder på kablar från 1967 fram till 2003, liknande kan ses i andra linjer i nätet. Av alla kablar som sågs över fanns installations år dokumenterat på 362 stycken. Av dessa kablar är 141 stycken installerade före 1980, 144 stycken före
2000 och resterande 77 är installerade på 2000-talet. Bilaga A ger en bild över vart i nätet de äldre kablarna är lokaliserade.
6.2 Normaldrift
6.2.1 Spänningsfall & belastningar
Uddevalla Energi har nästintill inga problem vad det gäller spänningsfall.
I 26 linjer av de 42 som har beräknats, är spänningsfallen under 1 %.
Endast 4 linjer av 42 har 2 % eller högre. Som tumregel har Uddevalla Energi att spänningsfallen inte får överstiga 5 % vid normal drift. Tabellen nedan visar hur mycket spänningsfall varje linje har.
Tabell 5 spänningsfall per linje i procent.
Linje 201 som går från M1 är en av två linjer som har högst spänningsfall. Linjen består av tre olika kabeltyper, FCJJ, ACJJ och AXKJ
Kabeltypen FCJJ är sammanlagt 4622 m lång och är skarvad åren 1964, -67, -68 och 1974. Kabeltypen ACJJ är sammanlagt 777 m lång och är lagt år 1973. Kabeltypen AXKJ är 105 m lång och är lagt år 1987.
Belastningen hos Uddevalla Energi befinner i en godkänd nivå vid normal drift.
Tabellen nedan visar belastningen i linjerna i procent av kabelns kapacitet samt högsta uppmätta strömmen vid maximal last.
Tabell 6 visar belastningen i strömnivå & procent.
Som tabell 5 visar så är linje L257 som går från M2 är den som är mest belastad vid normal drift. Det beror främst på att den matar många nätstationer. Den höga belastningen i procent beror på att första matarkabeln endast har en area på 95𝑚𝑚2.
Figur 12 visar linje 257 från fördelningsstation M2
6.2.2 Kapacitiva jordfelsströmmar
De kapacitiva strömmarna vid normal drift överstiger inte de tumregler Uddevalla Energi har satt, vilken är ca 20 A per linje. Tabellen nedan visar hur mycket kapacitiv ström linjerna är belastade med. Vid linjerna L220 och L231 är utlokaliserade spolar placerade för att kompensera den höga kapacitiva jordfelsströmmen.
Tabell 7 kapacitiva strömmar vid normal drift
M1 Icj (A) M2 Icj (A) M5 Icj (A)
L139 6,5 L250 4,4 L143,L144 2,0
L201 17,7 L255 7,1 L427 4,7
L206 8,1 L257 3,6 L455 5,6
L215 4,3 L343 2,6 L474 15,0
L218 5,2 L221 12,0 L475 9,3
L220 99,9 L251 4,3 L607 10,7
L227 7,4 L254 1,7 L145,L146 2,1
L241 3,5 L258 6,3 L463 5,2
L243 1,7 L387 5,6 L437 8,9
L296 4,6 Total 47,6 L477 5,6
L344 6,7 L506 2,4
L345 3,4 L507 9,4
L550,L551 3,4 Total 80,9
L565,L566 18,3
L203 7,7
L205 6,7
L208 2,8
L212 2,7
L214 4,4
L216 0,1
L222 3,1
L229 21,4
L231 40,8
L239 9,2
L245 1,8
L298 11,7
Total 303,1
6.3 Reservmatning
Normalt går en linje inte tillbaka till någon mottagningsstation, den går fram till en nätstation som har normalt öppen frånskiljare (se figur9). Om det inträffar ett fel någonstans i linjen som gör att kunder blir strömlösa p.g.a. att matning från ordinarie fack inte längre är möjlig, sluter man en sådan frånskiljare för att möjliggöra matning från ett annat fack i mottagningsstation (se figur 11).
6.3.1 Spänningsfall & belastning
Följande tabeller visar spänningsfall och belastning i procent av kablarnas kapacitet vid olika reservmatningar samt vilken nätstation som är normalt öppen vid
normaldrift. Första kolumnen visar vilka linjer som används vid den aktuella reservmatningen. Rött markerade värden >85 %, indikerar att belastningen är nära eller har nått överbelastning. Parenteser indikerar förbindelse till annan
mottagningsstation. Varje tabell visar mottagningsstation och linje som går från den specifika mottagningsstationen. Endast reservmatning vid fel på enskild linje presenteras, transformator i mottagningsstationen är ej påverkad.
Tabell 8 spänningsfall och belastning i procent vid reservmatning i fördelningsstation M1
Tabell 9 spänningsfall och belastning i procent vid reservmatning i fördelningsstation M2
Tabell 10 spänningsfall och belastning i procent vid reservmatning i fördelningsstation M5
Figur 12 visar principen för hur reservmatningsberäkningar gjorts, schemat nedan illustrerar reservmatningsmöjlighet för linje 201 till linje 229 om lastfrånskiljare 2 på station T015 sluts. Stationerna kan då matas från båda håll beroende på vart felet inträffar.
Figur 13 reservmatning L201-L229
Följande tabell är en sammanställning av tabellerna i kap. 6.3.1, värdena har rangordnats för att visa de mest belastade linjerna vid reservmatning. Som tabellen visar är 11 st. reservmatningsmöjligheter överbelastade. Möjliga lösningar till dessa presenteras i kap 7.
Tabell 11 rangordning av reservmatningsbelastningar
Linje Ufall max % Belastning max % Slutningspunkt
L203-L206 4,00 121,10 T004
L201-L229 3,82 115,50 T015
L139-L229 2,34 113,30 T107
L255-L257 2,10 111,80 T146
L345-L455(M5) 3,03 109,30 T133
L254-L221 1,77 108,10 A007
L222-L258 1,32 99,10 A012A
L241-L298 4,11 96,80 T159
L474-L477 9,12 95,60 T509
L139-L201 4,55 88,90 T087
L343-L221 2,79 87,50 T145
L258-L427(M5) 2,12 79,90 T086
L206-L507(M5) 2,58 78,30 T009
L473-L474 4,58 73,70 T513
L221-L255 2,79 70,00 T150
L607-L474 2,97 68,20 T521
L343-L427(M5) 1,80 68,00 T142
L607-L477 3,63 61,80 T523
L387-L258 1,49 58,00 A004A
L243-L241 0,85 56,90 T157
L251-L455(M5) 1,92 55,90 T133(LF5)
L231-L298 2,51 53,70 T169
L203-L506(M5) 1,79 52,70 A014
L296-L239 1,73 50,80 A018
L215-L212 0,85 47,10 T016
L214-L227 1,91 46,50 T091
L208-L245 0,57 45,90 T102
L344-L250(M2) 1,13 34,30 T536
L205-L427(M5) 1,10 33,30 T140
L220-L231 2,12 23,90 T188
6.3.2 Kapacitiva jordfelsströmmar
Tabellen som följer härnäst visar hur mycket kapacitiva strömmar linjerna belastas med vid olika reservmatningar. Resultatet blir summan av de båda linjernas kapacitiva strömmar vid normaldrift. Även här indikerar parenteser förbindelse till annan mottagningsstation.
Tabell 12 kapacitiva strömmar vid reservmatning
M1 M2 M5
Linje Icj (A) Linje Icj (A) Linje Icj (A)
139-201 24,2 343-221 14,6 473-474 23,9
139-229 27,8 343-427(M5) 7,3 607-477 29,0
139-230 28,8 343-427(M5) 8,3 607-478 30,0
139-231 29,8 343-427(M5) 9,3 607-479 31,0
139-232 30,8 343-427(M5) 10,3 607-480 32,0
206-203 15,8 254-221 13,6
206-204 16,8 254-222 14,6
206-205 17,8 254-223 15,6
214-227 13,2
215-212 7,0
215-213 8,0
222-258 9,6
231-298 54,2
241-298 15,2
243-241 5,2
296-239 15,5
344-250(M2) 11,2
345-455(M5) 9,1
7 Analys/diskussion
Åldern på kablarna i elnätet varierar väldigt stort. Då reparation av kablar har skett så skarvas de med modernare kabel vilket gör att det succesivt förnyas. Som man ser i tabell 2 består majoriteten av elnätet av äldre pappersisolerad kabel. Enligt erfarenhet från UEEAB är, trots åldern, kvaliteten på kablarna hög så länge de lämnas orörda.
PEX-kablar, installerade innan 1980 som är lätt påverkade av ”treeing” har bytts ut och är inget problem i elnätet. Att få fram en konkret lista på vart utbyte bör göras först är inte möjligt i praktiken då åldern varierar så stort i varje linje, vilket går att se i tabell 4. Enskilt utbyte av de äldre kablarna blir därför för omständigt och dyrt då grävarbeten krävs. Det bör istället göras i samband med andra arbeten, t.ex. vid förläggning av fibernät som UEAB även utför.
I tabell 11 syns det att sex av linjerna blir belastade med över 100 % av kabelns kapacitet. Vid närmare titt och undersökningar kom det fram att det både finns förklaringar och lösningar.
Linje 203-206 belastas med 121,10 % av kabelns kapacitet. I det fallet finns det förutom den reservmatningen, fler reservmatningsmöjligheter. Från tabell 11 går det att avläsa att L206 även går att mata från L507 i M5, eller att L203 går att mata från L506 i M5. Reservmatas dessa två från de nyss nämnda linjerna, överbelastas inte kablarna i de fallen. En lösning kan även vara att öka arean på de beträffade kablarna då de är 95𝑚𝑚2 cu. Att byta till 2402mm Al skulle sänka belastningen på kabeln avsevärt. De kablar som finns i reservmatning L203-L206 presenteras i bilaga B.
L201-L229 är belastad med 115,50 %, vid fel i L201 kan reservmatning istället tas från L139. Den är fortfarande >85 % men då det endast är 88,90 % belastning så är det inte lika kritiskt då det inte är en permanent lösning. Främst beror överbelastningen på klen kabel, 70 och 95𝑚𝑚2. Dessa bör bytas till grövre kabel t.ex. 240𝑚𝑚2. De kablar som finns i reservmatning L201-L229 presenteras i bilaga C.
Reservmatningen L255-L257 har max belastning 111,80 %, i detta fall går det att reservmata linje L255 via L221 för att sänka belastningen till 70 %. L257 kan reservmatas via L218 i M1.
L345-L455 är belastad med 109,30 %. Om L345 istället reservmatas från L251 i M2 blir belastningen betydligt lägre, endast 68 %. Även L455 kan reservmatas via L251 för att sänka belastningen till 55 %.
Reservmatning mellan linjerna L254-L221 är belastad med 108,10 %. L221 kan istället reservmatas via L255. För linje L254 krävs det att klena kablar byts till grövre för att ej överbelasta kablarna.
I samtliga fall finns det flera reservmatningsmöjligheter att tillgå men de flesta leder till överbelastning av kablar p.g.a. att de är antingen 70𝑚𝑚2cu eller 95𝑚𝑚2 cu. Dessa kablar bör bytas ut till 240𝑚𝑚2 Al för att bli av med problemen. Notera även att som
det står under rubriken Metod/tillvägagångsätt, är mätningarna gjorda utifrån värden insamlade under en ovanligt kall vinter, då belastningarna var som högst. Under normala förhållanden blir belastningarna betydligt lägre då den extrema kylan krävde högre energikonsumtion.
Den kapacitiva jordfelsströmmen i nätet är i de flesta linjerna på en bra, låg nivå. Linje 220 har 99,9A Icj. En utlokaliserad spole finns i linjen men den kompenserar endast 10A. I den här linjen bör 7-8 extra spolar placeras för att sänka total Icj till närmare 20A.
Även Linje 231 har högt Icj, 40,8A. En utlokaliserad spole på 10A finns placerad även i den linjen men en till borde installeras för att sänka total Icj till 20A.
Vid undersökning av reservmatningar upptäcktes det att L208 samt L245 endast har en reservmatningsmöjlighet samt att båda ligger på skena A i mottagningsstation M1.
Vid händelse av att fel inträffar på skenan som medför att samtliga stationer behöver matning från skena B är inte det möjligt för de upplysta stationerna i figur 13. En linje bör därför flyttas till B-skenan. Då ingen reserv finns tillgänglig måste en annan linje från B-skenan byta plats. L241 och L243 är båda möjliga kandidater för det, då de alltid har möjlig reserv från bägge skenor.
8 Slutsatser och framtida arbete
De slutsatser som kan dras är att kabeltyper och ålder i elnätet varierar väldigt mycket i varje enskild linje. Byte till nya kablar resulterar i mycket grävarbete så det är inte praktiskt att byta enskilda kablar.
Uddevalla Energis elnät vid normal drift har godkända värden. Tumregeln som används gällande spänningsfall och kapacitiva strömmar överskrids inte någonstans i tätortsområdet. Kablarna belastas inte heller över gränsvärden.
Men däremot vid reservmatning har det förekommit frågetecken kring mätvärdena som har tagits fram. De flesta linjerna som har beräknats belastades inte över
gränsvärdena. Men 11 st. linjer blev överbelastade. De flesta går att lösa via alternativa reservmatningar. Ett annat alternativ är att byta ut de överbelastade kablarna till kablar med större area.
När elnät byggs tas endast hänsyn till att man har ett fel åt gången, för att inte ha orimligt höga kostnader på att bygga reservmatningsvägar eller överdimensionera kablar/transformatorer. Utgår man från det är Uddevalla Energis elnät i city godkänt utifrån beräkningarna som gjorts.
När det gäller framtida utbyggnadsplaner så är det i ett för tidigt stadie i planeringen, så inga konkreta siffror på belastningar finns tillgängliga. Med dessa förutsättningar blir det svårt att komma fram med förslag på transformatorstorlekar.
Framtida arbete som kan göras är att se över lösningar på de radialerna som finns i elnätet så att de kan reservmatas från det befintliga nätet och inte endast via reservmatningsaggregat.
Källförteckning
1. Representativa testnät för svenska eldistributionsnät, Elforsk rapport 08:42[elektronisk]
Tillgänglig:http://www.elforsk.se/Rapporter/?download=report&rid=08_42_
2. Blomqvist, Hans (2003). Elkrafthandboken, Elkraftssystem 2. 3. Uppl. Stockholm:
Liber 2003
3. Christensen, Jörgensen; Hvidsten Sverre; Oberger, Kjell (2000). Diagnostik av PEX-kabelanläggningar [elektronisk]
Tillgänglig: www.elforsk.se/Rapporter/?download=report&rid=00_28_
4. Persson, Johan (2005). Jordfelsproblematik i icke direktjordade system[elektronisk]
Tillgänglig:https://www.iea.lth.se/publications/MSTheses/Full%20document/52 05_full_document.pdf
5. Al-Yakoubi, Murad; Roham, Elias (2012). Underhåll och övervakning av distributionstransformatorer[elektronisk]
Tillgänglig: http://www.diva-
portal.org/smash/get/diva2:667510/FULLTEXT01.pdf
A. Kablarnas ålder (Figur)
B. Kabeltyper reservmatning L203-L206
Tabell 13, Kabeltyper för reservmatning L203-L206. Rödmarkerade kablar bör bytas ut för att motverka överbelastning.
C. Kabeltyper reservmatning L201-L229
Tabell 14, Kabeltyper för reservmatning L201-L229. Rödmarkerade kablar bör bytas ut för att motverka överbelastning.
