NO319703B1 - Ledningsanordning for trefaseoverforing - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder generelt en ledningsanordning for trefaseoverføring av energi, særlig fremgangsmåter og anordninger som utnytter fasedeling og konfigurering av faseledere i den primære hensikt å tilveiebringe en reduksjon av det magnetfelt som dannes ved trefaset energioverføring via ledninger.

Det finnes i dag en klar innsikt i det ønskelige å redusere det magnetfelt som alltid vil foreligge i nærheten av trefaseledninger, både med tanke på eventuell helsepåvirkning og med tanke på forstyrrende innvirkninger på elektronisk utrustning. Typiske trefase-ledningsanordninger er i denne sammenheng f.eks. luftkraftledninger, ledninger lagt i bakken, samleskinnesystemer for transformatorstiilverk og generatorskilleopplegg i kraft-stasjoner o.l.

Når det gjelder luftledninger har man forsøkt å redusere det magnetfelt som settes opp ved forskjellige slags symmetriske faselederanordninger innbefattet faseoppdeling med fem eller seks faseledere og som innebærer at to eller tre faser fordeles til hver sin faseleder. Dette innebærer imidlertid kostbare og omfattende anordninger.

Spesielle problemer oppstår i forbindelse med dagens trefaseldningsanordninger med tre faseledere, hvilke ofte ikke på en rimelig måte kan bygges om for å redusere det frembrakte magnetfelt.

Et hovedmål med denne oppfinnelse er å komme frem til en fremgangsmåte for enkelt, rimelig og effektivt å redusere magnetfeltet fra et trefaseledningsopplegg.

Et annet mål med oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte for å redusere magnetfeltet, men som ikke krever omfattende symmetriske faselederkonfigura-sjoner.

Nok et mål med oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte for magnetfeltreduksjon og som egner seg meget godt for tilpasning til aktuelle trefaseanordninger med tre faseledere i plan konfigurasjon.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte som muliggjør utover magnetfeltreduksjon også alternativt å utnytte faselederne på enkel måte i varierende konvensjonelle anordninger med tre faseledere.

Endelig er det et mål med oppfinnelsen å foreslå en fremgangsmåte som gjør det mulig at man i en trefaseanordning for overføring av energi over lange avstander samtidig øke overføringseffektiviteten og redusere det oppsatte magnetfelt, i sammenlikning med en konvensjonell anordning med trefaseledere.

De mål som er satt opp ovenfor nås med oppfinnelsens fremgangsmåte, anordning og en anvendelse, med de særtrekk som er satt opp i de tilføyde patentkrav.

Til grunn for oppfinnelsen ligger således innsikten i at en usymmetrisk anordning av fire faseledere, idet to er forbundet med en og samme fase og danner en sløyfe, på en overraskende måte gir en vesentlig reduksjon i magnetfeltet i forhold tit en konvensjonell anordning med tre faseledere. De to "oppdelte" eller fordelte faseledere anordnes derved på hver side av og utenfor de to resterende sentrale faseledere som altså ikke deles eller fordeles. Sløyfen dannes ved at de to ytre faseledere forbindes innbyrdes i det minste ved starten hhv slutten av fasefordelingen. Forbindelse kan utføres på konvensjonell måte. Når det gjelder luftledninger kan de f.eks. utgjøres av hengende tverrledere (slakke spenn) i forbindelse med festet i de benyttede stolpekonstruksjoner. I forbindelse med samleskinner utgjøres tverrforbindelsene naturlig av de tilhørende tilkoplingsskinner til de to fordelte faseledere.

I anordningen ifølge oppfinnelsen kommer de fire faseledere når de betraktes på tvers av lengdeutstrekningen til å fordeles i utstrukket konfigurasjon, fortrinnsvis i alt vesentlig plan eller rett. Faselederne har med fordel samme innbyrdes avstand, og denne holdes så liten som mulig når man samtidig tar hensyn til de isolasjonskrav etc man må rette seg etter. Faselederanordningen kan være hovedsakelig horisontal, vertikal eller generelt skråstilt.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen gjelder at en vesentlig del av magnetfeltreduksjonen oppnås ved de strømmer som kommer til å sirkulere i en av de ytre faseledere, idet denne danner en udreid sløyfe. Genereringen av slike sirkulerende strømmer kan lettes ved innkopling av kapasitive elementer i sløyfen, nemlig elementer, f.eks. kondensatorer, som med fordel innkoples i de sløyfedannende forbindelser, fortrinnsvis symmetrisk, dvs i begge de forbindelser som danner en sløyfe. I forbindelse med luftledninger kan de kapasitive elementer f.eks. henges opp i tverrforbindende ledere (slakkespenn).

Sammenliknet med en plan faseanordning med tre faseledere innebærer bruken av denne oppfinnelse at magnetfeltet ved udreid sløyfe kan reduseres til i det minste ca 1/3 av det normale. Hvis optimal kompensering (ca 60 %) av sløyfens induktans kan utnyttes ved hjelp av kapasitive elementer som er koplet inne i den, kan en ytterligere halvering av magnetfeltet oppnås. Totalt reduseres derved magnetfeltet til ned mot 1/6, og den sirkulerende strøm kan derved typisk bli ca. 20 % av fasestrømmen, mot ca 10 % i det ukompenserte tilfelle.

Har man skinneanordninger kan den sirkulerende strøm lettere etableres ved at de fordelte faseskinner gis store dimensjoner. Det har vist seg at feltet da reduseres med omkring faktoren åtte allerede uten noen kompensering.

Det innses at den foreliggende oppfinnelse med fordel kan benyttes til kontrollert å redusere magnetfeltet fra en spesiell kraftledningsstrekning ved hjelp av et konvensjonelt plant ledningsarrangement med tre faseledere, ved å bygge om strekningen det gjelder slik den foreliggende fremgangsmåte angir.

I forbindelse med konvensjonelle luftledninger som bæres av ledningsstolper av portaltypen har det vist seg at man ofte kan plassere de to udelte faseledere mellom de to stolpeben, mens de to halvdeler av den delte faseleder anordnes en på hver side, dvs på yttersiden av stolpebena, idet man må beholde tilstrekkelig isolasjonsavstand inn til stolpene. Derved kan man få en halvering av faseavstanden, hvilket gir en ekstra halvering av magnetfeltet som derved totalt reduseres til omkring 1/12 hvis man også utnyttes maksimal kompensering.

I forbindelse med ledninger i bakken kan det også være relativt enkelt å legge om lederne slik at man far en ytterligere faseleder ved siden av tre konvensjonelle, parallelle og separat anordnede faseledere, og med en avstand til den nærmeste av disse fortrinnsvis omtrent den samme som den innbyrdes avstand mellom dem. Den ytterligere faseleder forbindes med den faseleder som ligger lengst fra og danner derved den påkrevede sløyfe. De forbindelser som kreves utgjør vanligvis ikke noe problem, siden det her dreier seg om faseledere av kabeltypen, dvs. isolerte faseledere som kan krysses uten problem.

Når det gjelder faseledere av skinnetypen har man vanligvis heller ikke noe problem når det gjelder plasseringen av en ytterligere skinne parallelt med tre allerede etablerte skinner i et konvensjonelt skinnearrangement.

Det innses uten videre at oppfinnelsen kan benyttes like gjerne ved nybygg som ved oppbygning. Spesielt ved lange ledningsstrekninger er det hensiktsmessig å utnytte ledningsdreining for å hindre ubalanse mellom de enkelte fasers impedanse. Slik ledningsdreining kan enkelt fremkomme ved at de tre faser i tur og orden deles opp ifølge oppfinnelsen over fortrinnsvis like lange ledningsavsnitt Sammenliknet med en konvensjonell anordning med tre faseledere i plan konfigurasjon får en dreieanordning ifølge oppfinnelsen omkring 20 % lavere induktiv reaktans uten kompensering og ca 30 % lavere induktiv reaktans ved optimal kompensering. Dermed oppnås en økning av overførings-effektiviteten på omkring 25 % uten kompensering og omkring 50 % med optimal kompensering. Tapene ved samme totale ledningsareal blir ubetydelig større hvis hver av de ytre faseledere har et areal som utgjør minst halvdelen av arealet av de øvrige to faseledere.

Ifølge et annet aspekt av oppfinnelsen kan magnetfeltreduksjonen frembringes samtidig med at sløyfetap unngås, hvilket kan være særlig fordelaktig i forbindelse med ledningsanordninger for overføring over lange avstander. Herved anvendes dreide sløyfer sammen med ledningsdreining av den type som allerede er nevnt. Dreide sløyfer innebærer at sirkulerende strømmer i sløyfene unngås samtidig med at det overraskende har vist seg at den induktive reaktans ikke ser ut til å påvirkes i nevneverdig grad. Den magnetfeltreduksjon man får er en halvering i forhold til en konvensjonell trelederanordning, og overførings-evnen øker med 25 %.

Hvis sløyfekompensering også utnyttes, hvilket er mulig, øker overføringsevnen ytterligere.

Nok en gunstig virkning av firelederanordningen ifølge oppfinnelsen er at kortslutningskreftene på lederne blir lave. Sammenliknet med en vanlig plan trelederanordning viser det seg at kreftene ved trefasekotrslutning reduseres med ca 40 % i kraftledningstilfellet og med ca 50 % i skinnetilfellet allerede uten kompensering. Med kompensering blir reduksjonen betydelig større enn 50 % i begge tilfeller.

Utnyttelsen av fire faseledere i likhet med oppfinnelsen innebærer imidlertid også en redundansvirkning som kan brukes for ved behov å tilveiebringe forskjellige alternative konfigurasjoner av anordninger med bare tre faseledere, og dette kan gi mulighet til fortsatt drift i forbindelse med at en av faselederne må tas ut av drift tilfeldig, f.eks. på grunn av feil, vedlikehold e.l. Korrekt faseomkopling og bryting/omkopling av tverrforbindelser må naturligvis gjennomføres. Forberedelser for dette kan allerede være utført i et stillverk eller på en annen hensiktsmessig plass.

I enkelte tilfeller kan utnyttelsen av oppfinnelsens koplingsmulighet være gunstig for å gi begge ytre faseledere i det minste delvis samme areal som de to øvrige faseledere, i forbindelse med en overordnet regulering.

Bruken av fire faseledere slik det foreslås ifølge oppfinnelsen kan for luftledninger i enkelte tilfeller innebære forenklet ledningstrekking, ved at lederne kan henges opp to og to i frittstående stolper, med en leder på hver side av bærestolpen, hvilket gir god fleksibilitet.

En ledningsanordning som er utformet ifølge oppfinnelsen har også fordelen av å være ombyggbar til likestrømsoverføring, og de fire lederne kan da benyttes for to dipoler, hver med to ledere.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås ytterligere i detalj, og det vises til de tilhørende tegninger, hvor fig. 1 skjematisk illustrerer en grunnform av oppfinnelsen, fig. 2 viser skjematisk en annen utførelsesform med kompensert sløyfe, fig. 3 viser skjematisk en tredje utførelsesform hvor det benyttes dreining, fig. 4 illustrerer skjematisk en fjerde utførelsesform med sløyfedreining, fig. 5 viser skjematisk ombygging av en konvensjonell trelederanordning til en firelederanordning ifølge en bestemt utførelsesform av oppfinnelsen, fig. 6 viser et diagram over den magnetfeltreduksjon man oppnår ved ombyggingen ifølge fig. 5, og fig. 7 viser skjematisk og i perspektiv et eksempel på en samleskinnekonfigurasjon ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 illustreres hvordan denne oppfinnelse kan utnyttes over et ledningsavsnitt L for reduksjon av det magnetfelt som settes opp av ledningsanordningen for trefaseoverføring med fasene R, S og T. Tre innkommende faseledere 1, 2, 3 strekker seg parallelt i et plant fasearrangement. Ved starten av ledningsavsnittet L er R-faselederen 1 delt opp til to faseledere 4, 5 som strekker seg parallelt med S- og T-faselederne 2, 3 og på hver side av disse, samtidig med bibehold av det plane fasearrangement og med uendret, samme innbyrdes avstand mellom faselederne 2, 3, 4 og 5. Ved slutten av ledningsavsnittet L er faselederne 4, 5 ført sammen slik at R-faselederen 1 fortsetter som før.

I det viste eksempel utgjør faselederen 4 en direkte fortsettelse av den innkommende faseleder 1, og ved ledningsavsnittet L ende danner den utgående faseleder 1 en direkte fortsettelse av faselederen 4. Faselederen 5 er koplet til starten hhv slutten av faselederen 4 ved hjelp av tverrforbindelsesledere 6 hhv 7. Når det gjelder luftledninger er disse ledere 6,7 mest hensiktsmessig utført som hengende luftspenn nær en ledningsbærende stolpekonstruksjon.

Det innses at den utgående faseleder 1 alternativt kunne danne en direkte fortsettelse av faselederen 5.

På fig. 2 illustreres hvordan man i en utførelse av generell type ut fra fig. 1 også kan kompensere for induktansen i den sløyfe som dannes av lederne 4, 5, 6 og 7. Kompenseringen skjer ved å kople inn kapasitive elementer 8, 9 i tverrforbindelsene 6 hhv 7. Elementene kan f.eks. utgjøres av kondensatorer som er hengt opp i de slake spennene, slik det illustreres fysisk på fig. 5.

I eksemplet på fig. 2 utgår den utgående R-faseleder 1 fra motsatt side i forhold til eksemplet vist på fig. 1. Den danner m.a.o. en direkte fortsettelse av faselederen 5. Slik det direkte fremgår får man derved bedre symmetri, samtidig med at de to kapasitive elementer 8,9 kan koples inn i hver sløyfehalvdel.

På fig. 3 vises et eksempel på hvordan dreining kan være utført i et trefasenett for å redusere impedansubalanse og hvor samtidig oppfinnelsens fremgangsmåte utnyttes. I det viste tilfelle forutsettes et grunnarrangement tilsvarende vist på fig. 1, og R-, S- og T-fasene er derved oppdelt i tur og orden via hver sin delstrekning L/3. R-fasen er oppdelt slik som på fig. 1, mens tverrlederen 7 har to deler 7' og 7". For S-fasen 2 gjelder at den på tilsvarende måte er delt i to faseledere 11, 12 ved hjelp av tverrledere 13', 13" hhv 14', 14", ved at T-fasen 3 er delt i to faseledere 15,16 ved hjelp av tverrledere 17', 17" hhv 18.

På fig. 4 illustreres skjematisk et eksempel på anvendelse av oppfinnelsen i forbindelse med en dreid sløyfe. R-fasen er her delt i to faseledere 21, 22 som sammen danner en dreid sløyfe sammen med endetverrledere 23, 24 av samme type som de vist på fig. 1. Sløyfen har m.a.o. generell åttetallskonfigurasjon, hvorved imidlertid de tverrgående midtsløyfedelene 21", 22" som krysser hverandre ved 25 ikke er i kontakt med hverandre. Tverrlederne 21", 22" er anordnet midt i det aktuelle ledningsavsnitt L og kan være utført på liknende måte som tverrlederne 23, 24. Denne sløyfeutførelse gir ingen sirkulerende strømmer og derved ingen sløyfetap, samtidig med at den induktive reaktans ikke økes nevneverdig.

På fig. 5 illustreres hvordan en 220 kW kraftledning med tre faseledere kan bygges om ihh til den foreliggende oppfinnelse for å gi mindre magnetfelt. Lederne er opphengt i en ledningsstolpe av portaltypen og omfattende to stolper 31, 32 og en tverrgående overligger 33. Med stiplede linjer vises den konvensjonelle oppspenning av de tre faseledere (R), (S) og (T) i isolatorer 35, 36 hhv 37. Ved ombygging til en utførelse ihh til fig. 2 har man funnet at det er mulig å redusere faseavstanden til halvdelen med opprettholdelsen av tilstrekkelig isolasjon, og dette innebærer at to faseledere S og T kan henges opp symmetrisk mellom stolpene 31 og 32, mest hensiktsmessig i vinkelstilte isolatorpar 41, 42 hhv 43, 44. Den tredje fase R deles og de to resulterende faseledere R/2 henges opp på hver side utenfor stolpene 31, 32, også her mest hensiktsmessig i vinkelstilte isolatorpar 45, 46 hhv 47, 48. Den innbyrdes avstand mellom faselederne S og T blir lik avstanden mellom disse faseledere og de respektive utenforliggende faseledere R/2 og T/2.

Begge de ytre faseledere R/2 og T/2 er innbyrdes forbundet via en tverrforbindelse 51 i form av en slakt hengende leder hvis laveste parti en kondensator 53 er innkoplet.

På fig. 6 vises kurver over det frembrakte magnetfelts styrke som funksjon av avstanden sideveis fra en symmetrilinje for ledningsanordningen, målt på en markhøyde på 1,5 m. Kurven 61 viser magnetfeltet fra det konvensjonelle trelederarrangement, mens kurven 62 viser magnetfeltet fra den firelederanordning som oppnås etter oppbyggingen, likevel uten kompensering, dvs uten kondensatorer 53. Kurver 63 viser tilsvarende magnetfeltet med kompensering, dvs med kondensatorer 53 innkoplet. Slik det direkte fremgår av diagrammet får man en særdeles god reduksjon av magnetfeltet. I det viste eksempel gjelder herved at den frembrakte halvering av faseavstanden også bidrar, nemlig med en halvering av magnetfeltet.

På fig. 7 vises en seksjon av et samleskinnearrangement utført ihh til den foreliggende oppfinnelse. Skinnearrangementet har to sentrale konvensjonelle skinner 71,72 som fører R- hhv T-fasen via vertikale tilkoplingsskinner 73 hhv 74. S-fasen er delt i to ytre skinner 75, 76 som er koplet til en vertikal tilkoplingsskinne 77 via skinnedeler 78, 79 som strekker seg ut til hver side fra skinnen 77. Skinnene 77, 78 og 79 har til sammen hovedsakelig Y-konfigurasjon. Skinnene 78 og 79 utgjør samtidig innbyrdes forbindelse mellom ytterskinnene 75, 76.

Skinnene 75, 76 har vinkelkonifgurasjon med en i forhold til skinnene 73, 74 bredere (i høyderetningen) vertikal del 81 og en fra dennes øvre kant innover utragende horisontal del 82. Delene 82 er innbyrdes forbundet med hverandre via tverrforbindelser 83, i hvert tilfelle mest hensiktsmessig på steder som tilsvarer tverrforbindelsen 78, 79. Slik det uten videre innses blir dette skinnearrangement stabilt samtidig med at begge ytterskinner får fordelaktig store dimensjoner.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for å oppnå lave magnetfelt fra trefasede elektriske ledningsanordninger, innbefattende at man utnytter fasedeling og konfigurering av faseledere for å redusere det frembrakte magnetfelt, karakterisert ved at man deler en fase i to faseledere og anordner disse to faseledere en på hver side av de udelte fasers faseledere i et utstrakt fasearrangement sett i tverretningen, hvorved de først nevnte to faseledere forbindes slik at de danner en sløyfe.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de fire faseledere sett i tverretningen anordnes i et i alt vesentlig plant eller rett fasearrangement.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at man anordner de fire faseledere med i hovedsaken samme innbyrdes avstand sett i tverretningen.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at man anordner kapasitive elementer i sløyfen, fortrinnsvis i en eller flere av de sløyfedannende forbindelser slik at etableringen av magnetfeltreduserende sirkulerende strømmer fremmes.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at man dreier sløyfen slik at sirkulerende strømmer i den i det minste hovedsakelig elimineres, hvorved sløyfetap unngås.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at man i tur og orden deler de tre fasene over fortrinnsvis like lange ledningsavsnitt slik at dreining som reduserer ubalanser mellom fasenes impedanser oppnås.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krave og gjeldende luftledninger båret av ledningsstolper av portaltypen, karakterisert ved at man anordner begge de oppdelte faseledere mellom de respektive ledningsstolpers begge stolpeben dg de ved oppdeling fremkomne faseledere en på hver side på yttersiden av de to stolpeben.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1 - 6 og gjeldende bakkeledninger, karakterisert ved at man anordner en ekstra faseleder ved siden av tre konvensjonelle, parallelle og adskilt plasserte faseledere og med en avstand til den nærmeste av nevnte tre faseledere tilnærmet lik den innbyrdes avstand mellom dem, hvorved den ekstra faseleder forbindes med den av de tre faseledere som ligger lengst unna, for å danne en sløyfe.

9. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at man anordner faselederne slik at ved behov den ene eller begge de delte faseledere sammen med begge de øvrige hhv én av begge de øvrige faseledere kan utgjøre en ledningsanordning på konvensjonell måte av tre faseledere.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at man bruker fire faseledere med i alt vesentlig samme ledningsareal.

11. Anordning for trefaseoverføring av elektrisk strøm og omfattende vesentlig parallelle og adskilt anordnede faseledere, karakterisert ved fire faseledere, hvorav to sentrale, adskilte faseledere tilordnet hver sin fase og hvorved de to øvrige faseledere er adskilt anordnede en på hver side av de to sentrale faseledere og er innbyrdes forbundet til å danne en sløyfe, og at de er tilordnet den tredje fasen.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at faselederne sett på tvers av ledningsutstrekningen er anordnet i det minste hovedsakelig i linje med hverandre.

13. Anordning ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at kapasitive elementer er anordnet i sløyfen for å fremme etableringen av magnetfeltreduserende sirkulerende strømmer, hvorved de kapasitive elementer fortrinnsvis er anordnet i sløyfedannende forbindelser mellom de to øvrige faseledere.

14. Anvendelse av fire i alt vesentlig parallelle faseledere i en elektrisk trefaseledningsanordning, hvorved to atskilte, sentralt anordnede faseledere er tilordnet hver sin fase, mens de to øvrige faseledere er tilordnet den tredje fasen og er adskilt anordnet, en på hver side av de to sentralt anordnede faseledere og innbyrdes forbundet til å danne en sløyfe, slik at det magnetfelt som dannes av ledningsanordningen reduseres langs den strekning av ledningsanordningen som omfattes av sløyfen, hvorved sløyfens induktans fortrinnsvis kompenseres ved anordning av kapasitive elementer i sløyfen for å fremme etableringen av sirkulerende strømmer i denne.

15. Anvendelse av fire i alt vesentlig parallelle faseledere i en elektrisk trefaseledningsanordning, hvorved to atskilte, sentralt anordnede faseledere er tilordnet hver sin fase, mens begge de øvrige faseledere er tilordnet den tredje fase og er adskilt anordnet, en på hver side av de to sentralt anordnede faseledere og innbyrdes forbundet til dannelse av en sløyfe, hvorved de tre faser i tur og orden er delt opp over fortrinnsvis like lange ledningsavsnitt slik at dreining som reduserer ubalanser mellom fasenes impedanser oppnås, og hvorved hver sløyfe er dreid slik at sirkulerende strømmer i sløyfen i det minste hovedsakelig elimineres, hvorved magnetfeltet som dannes blir redusert, støyfetap unngås og overføringsevnen økes relativt et konvensjonelt ledningsarrangement med tre faseledere.