Lange kabler i elsystemet

Transkript

1 Lange kabler i elsystemet De teknologiske udfordringer 1

2 Elsystemet - status Vekselstrøm i luftledninger som hovedparten af verdens elsystemer Teknisk relativt enkel og billig teknologi Modsat jævnstrøm kan vekselstrøm relativt enkelt transformeres op og ned mellem forskellige spændingsniveauer Energi kan fyldes på og tappes overalt i nettet 400 kv-nettet udgør elsystemets rygrad, dvs. elsystemets motorveje til transport af store mængder energi Niveau Transmission Transmission Distribution Distribution Spænding 400 kv 132 og 150 kv kv 230/400 V Metafor Elsystemets motorveje Rygraden i elsystemet Hovedveje Biveje Villaveje 2

3 Elsystemet - status Spænding I alt Kabler Luftledninger kv km 164 km km 132/150 kv km 611 km km kv km km km 6-20 kv km km km Kabellægning 400 kv 132/150 kv Tekniske udfordringer Store tekniske udfordringer Uden væsentlige problemer Økonomi Væsentligt dyrere end 132/150 kv Væsentligt billigere end 400 kv 3

4 Elsystemet - status Prisen og de teknologiske udfordringer ved kabellægning af 400 kvkabler er årsagen til, at kabellægning med vekselstrømskabler på høje spændingsniveauer er relativ beskeden på verdensplan Kablerne findes hovedsageligt over kortere strækninger i bymæssig bebyggelse og kun i relativt sjældne tilfælde i det åbne land. Der er lagt 250 km plastisolerede vekselstrømskabler i verden 1/3 er lagt i Danmark, som er internationalt førende på kabellægning i vekselstrømsnettet Det længste kabel i Danmark er lagt i København. Det er 20 km langt med en station på halvvejen Det længste kabel i verden er lagt i Tokyo. Det er et 40 km langt 500 kv-kabel Ved drift rammes kabler ikke så ofte af fejl som luftledninger. Reparation af kabler er imidlertid væsentligt mere kompliceret og tager længere tid end reparation af luftledninger. Langvarig udetid af en forbindelse er en større trussel for forsyningssikkerheden end flere kortvarige udetider. 4

5 De teknologiske udfordringer 400 kv Luftledninger En relativ simpel, teknisk konstruktion En meget høj spænding isoleres fra jorden med luft, som samtidig køler lederen, når strømmen bliver stor Kabler En kompliceret teknisk konstruktion En meget høj spænding skal isoleres fra jorden på meget få centimeter Isoleringen holder på varmen, når strømmen bliver stor, hvilket reducerer kapaciteten i fht. luftledninger 5

6 De teknologiske udfordringer Mange teknologiske udfordringer ved lange 400 kv-kabler, men særligt to udfordringer: Komponentniveau Kablet skal virke, så den strøm, der sendes ind i den ene ende også kommer ud i den anden ende (håndtering af den store kondensatorvirkning) Systemniveau Mange og lange kabler skal fungere, så elsystemet ikke bliver ustabilt og bryder sammen (risikoen for resonanser) 6

7 Lange 400 kv kabler Kondensatorvirkningen (I) Kablet har ikke mange meter luft til at isolere fra jord men kun få cm plastmateriale til at isolere den meget høje spænding på 400 kv fra jordens 0 V På grund af de fysiske love, kommer kablet derfor til at fungere som et stort batteri, som skal op- og aflades 50 gange i sekundet Det kræver energi, og jo længere kablet er, jo mere energi går der fra strømmen i kablet til at op- og aflade batteriet Når kablet er tilstrækkeligt langt, kommer der ingen strøm ud i den anden ende, fordi energien går til at op- og aflade batteriet 7

8 Lange 400 kv kabler Kondensatorvirkningen (II) Kondensatorvirkningen kan kompenseres ved at indsætte spoler i form af reaktorstationer for hver km kabel Det begrænser energitabet i kablet Den reaktive kompensering er en kendt og afprøvet teknik, som dog ikke kan anvendes til havs Teknikken er imidlertid ikke afprøvet noget sted i verden på meget lange vekselsstrømskabler Udbygning af elnettet med flere, lange kabler forudsætter et længere forløb med sikre driftserfaringer fra ét langt kabel 8

9 Lange 400 kv kabler Resonanser (I) Et komplekst fænomen, som kendes fra maskiner og broer, som pludselig og uden varsel ryster eller sættes i svingninger Tacomabroen, Californien, 7. november 1940: Stærke vinde satte broen i voldsomme svingninger op og ned, og efter tre timer styrtede broen sammen på grund af resonans. Se filmen på youtube. 9

10 Lange 400 kv kabler Resonanser (II) I elsystemet vil resonans medføre, at der opstår ukontrollerbare svingninger i strømme og spændinger På 400 kv-niveau er energiindholdet i svingningerne så store, at det kan få elsystemet til at bryde sammen I luftledninger er resonansfrekvenserne så store, at de virker naturligt dæmpende og ikke giver problemer I kabler er resonansfrekvenserne så små, at de kan ødelægge andre komponenter i systemet Normale hændelser som fx udkobling af en afbryder kan anslå resonanssvingningen i kabler, som kan skade eller medføre udkobling af andre komponenter i nettet på grund af de høje og svingende spændinger Kobler flere ledninger og generatorer ukontrolleret fra nettet, bliver sikkerheden ved systemet sårbar og risikoen for at systemet bryder ned er stor 10

11 Lange 400 kv kabler Resonanser (III) Resonanssvingninger på 400 kv-niveau er mere kritiske end på andre niveauer, fordi det er elsystemets rygrad og kræfterne til at genskabe stabiliteten skal derfor komme fra 400 kv-nettet selv På grund af resonansvirkningen kan de enkelte kabelstrækninger ikke betragtes isoleret Metoder til at imødegå resonanser er ikke kendt og afprøvet teknik. Risikoen for svigt er derfor ukendt. Det samme gælder omkostningerne til metoder og teknikker, der kan imødegå resonanser Før større mængder kabler kan bygges ind i elnettet, skal der opnås sikre driftserfaringer med ét enkelt, langt kabel 11

12 Forskning i 400 kv kabler Energinet.dk arbejder intensivt med at løse de tekniske udfordringer, bl.a. ved: Erfaringsindsamling fra kabler i det eksisterende danske elsystem Interne analyser og beregninger på kabellægning International vidensdeling, bl.a. i forbindelse med casestudie: - Modelopbygning af kabler med norsk kabelproducent - Modelsimuleringer med canadisk researchinstitut - Samarbejde om driftserfaringer og analyser med Tokyo Electric Power Company (et japansk selskab, som har systemansvaret, i lighed med Energinet.dk i Danmark) - Samarbejder med andre systemansvarlige virksomheder i verden, bl.a. Holland, Tyskland, Frankrig, USA, England, Østrig, Sverige og Norge. - Bidrager med erfaringer fra kabellægning på strækningen Århus-Aalborg til de internationale fagmiljøer. Erhvervsforskerprojekter omkring 400 kv kabelkomponenter samt 400 kvkabler i elsystemet (to 3 årige PhD-projekt) 12