SE524035C2 - Anläggning för överföring av elektrisk effekt - Google Patents

Description

30 35 524 055 papper, men sådana kablar är så kostsamma att de inte utgör något realistiskt alternativ till luftledningarna. En ovan nämnd extruderad kabel kan tillhandahållas till en kostnad som i kombi- nation med de fördelar den uppvisar med avseende på miljöin- verkan skulle göra den konkurrenskraftig med avseende på luft- ledningarna, men den har inte kunnat användas i anläggningar av detta slag, p g a ovannämnda problem. Slutsatsen har varit att man för användande av en sådan kabel för en nämnd växelspän- ningsledning skulle varit tvungen att placera en mängd substa- tioner med ställverk mellan nämnda båda på stort inbördes av- stånd placerade ställverk, så att egentligen inte avståndet skulle bli stort utan i stället litet mellan två intilliggande ställverk. Detta skulle ha blivit orimligt dyrt och har således inte utgjort någon tänkbar lösning.

Vidare är en anläggning enligt ingressen hos bifogade krav 1 känd genom US 3 412 199 som visar att det är tidigare känt att använda en specialtillverkad kabel med en isoleringsmantel bildad av en mängd isoleringsskikt mellan vilka ledande skikt är anordnade och förbundna med varandra, så att utmed kabelns längd såväl en kapacitans som en induktans skapas för reaktiv faskompensering. På detta sätt blir det möjligt att anordna ställverken på relativt stora avstånd, men en sådan kabel löser inte de problem som finns hos nämnda kablar med en tjock isoleringsmantel bildad av med olja impregnerat papper, då även denna kabel blir oattraktivt dyr att tillverka i förhållande till nämnda oisolerade luftledningar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNING_E_I_\I__ Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- läggning av ovan definierat slag som är förbättrad i förhållande till tidigare kända sådana anläggningar.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att tillhandahålla en anläggning enligt bifogade patentkrav 1. 10 15 20 25 30 35 524 035 Genom att förse en anläggning med en växelspänningsledning av ovannämnt slag, d v s bestående av en extruderad kabel med en inre elektrisk ledare, ett denna omgivande isoleringsskikt av fast material och ett yttre på jordpotential liggande skärmskikt, och kombinera en sådan kabel med flera induktorer kopplade mellan kabelns ledare och jord och distribuerade utmed ledningen på betydande inbördes avstånd för reaktiv shuntkompensering, blir det möjligt att utnyttja en sådan fördelaktig kabel och ändock bibehålla ett stort avstånd mellan intilliggande ställverk. Således behövs inte någon specialkabel, utan en prisattraktiv kabel med ringa miljöinverkan kan användas genom att på detta enkla sätt anordna induktorer, som kan tillhandahållas till en i sammanhanget låg kostnad.

Tack vare att man på detta sätt integrerar induktorer i kabeln kan de kapacitiva strömmar som produceras i kabeln kompenseras och en sådan kabel få en tillfredsställande strömhanteringsför- måga även om den sträcker sig över långa sträckor. Detta inne- bär att de fördelar en extruderad kabel har i förhållande till en luftledning vad gäller kraftigt reducerad störande inverkan på natur och levande väsen och i förhållande till kablar med isole- ring av oljeimpregnerat papper vad gäller kostnaden kan utnytt- jas hos en sådan anläggning för överförande av elektrisk effekt via en högspänd växelspänning över långa sträckor. En nämnd integrering av induktorer i kabeln gör att en reaktiv kompensering kan ske till en rimligt låg kostnad som endast utgör en bråkdel av vad ovannämnda substationer med ställverk skulle ha inneburit. lntegreringen av nämnda induktorer i kabeln och faktumet att kostnaden för dessa blir förhållandevis låg, vilket innebär att de kan anordnas förhållandevis tätt, gör att det blir möjligt att an- vända sig av en för en given spänningsnivå förhållandevis tunn kabel, vilken visserligen ger en högre kapacitiv koppling och därigenom ett större problem med kapacitiva strömmar än en tjockare kabel, men de uppfinningsenliga induktorerna tar hand om detta. En fördel med att använda sig av en så tunn kabel som möjligt är att större längder av kabeln kan köras ut åt gången på 10 15 20 25 30 35 524 035 en trumma och förläggas, så att det blir längre avstånd mellan skarvarna hos kabeln, och sådana skarvar är kostsamma. Ett så- dant förhållandevis tätt anordnande av induktorerna medför även att dessa kan dimensioneras förhållandevis små.

Med “i kabeln integrerade induktorer” menas att induktorerna är anordnade i direkt anslutning till kabeln. l fallet av en flerfasled- ning uppvisar denna en nämnd kabel per fas. Därvid uppvisar varje kabel därmed integrerade induktorer, men induktorerna skulle kunna vara av flerfastyp, så att en induktor är gemensam för flera kablar.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är in- duktorerna väsentligen Iikformigt distribuerade utmed ledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är in- duktorn helt eller delvis nedgrävd i marken, vilket är fördelaktigt, eftersom anslutningarna mellan induktorn och kabeln under mar- ken eliminerar kravet på skydd och därigenom sänker kostnaden på anläggningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar induktorn en i ett på jordpotential liggande hölje anordnad lindning ansluten med sin ena ände till kabelns elektriska ledare och med sin andra ände till höljet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är in- duktorn försedd med en hjälplindning för levererande av hjälpe- nergi till förbrukare, såsom utrustning för manövrering av delar hos anläggningen och kommunikation mellan sådana delar och/eller mellan anläggningen och yttre utrustning. På detta sätt erhålls på samma gång som kabeln installeras en möjlighet att med elektrisk effekt mata en mängd olika förbrukare, såsom de just nämnda. Kostnaden för en sådan matningslindning i induk- torn blir mycket låg i jämförelse med ett separat dragande av kablar till en nämnd förbrukare. 10 15 20 25 30 35 524 035 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anläggningen en utmed kabeln lagd eller i denna integrerad optisk fiber för användning av en inrättning för skydd av anlägg- ningen och/eller kommersiell kommunikation inom anläggning och/eller med det yttre. En sådan optisk fiber kan på detta sätt enkelt läggas när kabeln läggs, så att olika typer av skyddsut- rustning för skydd av kabeln och induktorerna eller andra delar av anläggningen kan ”prata” med varandra, och när detta görs kan den lika gärna utformas för andra tillämpningar i form av kommersiell kommunikation, såsom för telekommunikation.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen uppvi- sar växelspänningsledningen tre faser med en nämnd kabel för varje fas och induktorn är av trefastyp med kablarna hos respek- tive fas anslutna till en separat induktorlindning hos varsitt fas- ben hos en gemensam kärna. En sådan utformning av en gemen- sam induktor för alla tre kablarna skulle i vissa situationer kunna leda till en mera fördelaktig anordning av induktorn än om en se- parat induktor skulle anordnas för varje kabel och/eller leda till en kostnadsinbesparing. Det påpekas emellertid att det är fullt möjligt att i flerfasfallet på ett ställe utmed kablarnas utsträckning anordna en separat induktor för varje kabel.

Med fördel är dimensioneringen av en nämnd induktor och av- ståndet mellan intilliggande induktorer respektive mellan en nämnd induktor och ett ställverk avpassade efter storleken på den spänning kabeln ifråga är avsedd att föra och kabelns shunt- kapacitans/längdenhet för att väsentligen eliminera kapacitiva strömningar i kabeln. Således kan vid ett tätare anordnande av induktorerna dessa göras mindre. Vid en given storlek på induk- torerna måste dessa anordnas tätare ju högre nämnda spänning är och ju större kabelns shuntkapacitans/längdenhet är.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen och övriga osjälvständiga patentkrav. 10 15 20 25 30 35 524 055 6 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härnedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: Fig 1 är en mycket schematisk skiss illustrerande den typ av anläggning uppfinningen hänför sig till, Fig 2 är en delvis skuren vy illustrerande uppbyggnaden och funktionen av en hos en uppfinningsenlig anläggning för överföring av elektrisk effekt använd kabel, Fig 3 är en schematisk vy illustrerande en integrering av en in- duktor med en kabel i en anläggning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, Fig 4 är en schematisk skiss illustrerande vad som uppnås ge- nom föreliggande uppfinning, Fig 5 är en schematisk vy illustrerande en anläggning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, Fig 6 är en schematisk vy av en del av en anläggning enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, och Fig 7 är en mycket förenklad vy av en del av en anläggning en- ligt en ytterligare annan föredragen utföringsform av upp- finningen.

DETALJERAD BEskR|vN|NG Av FÖREDRAGNA UTFÖRWGSFQRMER Av uPPF|NN|NçEN Fig 1 illustrerar mycket schematiskt en anläggning för överföring av elektrisk effekt via högspänd växelspänning av det slag upp- finningen tillhör, nämligen innefattande en två pà ett stort inbör- des avstånd placerade, schematiskt antydda ställverk 1, 2 för- 10 15 20 25 30 35 524 035 bindande växelspänningsledning 3. Växelspänningsledningen är i föreliggande fall bildad av en extruderad kabel per fas, och upp- byggnaden av en sådan kabel kommer att beskrivas längre ned under hänvisning till fig 2. Denna kabel är utformad att ha en systemspänning på mellan 50 kV och 500 kV, företrädesvis mellan 30 kV och 300 kV mellan sin ledare och jord.

Anläggningen är företrädesvis utformad för en maximalt via växelspänningsledningen överförbar effekt av 50 MW - 600 MW.

Avståndet mellan de båda ställverken överskrider företrädesvis 25 km och kan typiskt sett ligga inom området av 50 km - 300 km. l fig 2 visas hur en i växelspänningsledningen 3 ingående extru- derad kabel kan se ut. Kabeln 4 uppvisar en inre elektrisk ledare 5, ett denna omgivande, förhållandevis tjockt isoleringsskikt 6 av fast material och ett yttre på jordpotential liggande skärmskikt 7.

Dessutom innefattar kabeln företrädesvis ett närmast ledaren 5 anordnat inre skikt 8 med en elektrisk ledningsförmåga som är lägre än den elektriska ledningsförmågan hos ledaren men till- räcklig för att bringa detta inre skikt att verka potentialutjäm- nande för att utjämna det elektriska fältet utvändigt om detta inre skikt. Skärmskiktet 7 har en elektrisk ledningsförmåga som är högre än den hos isoleringsskiket för att göra skärmskiktet kapa- belt att genom anslutning till jord fungera potentialutjämnande och väsentligen innesluta det elektriska fältet som uppstår in- nanför skärmskiktet till följd av den elektriska ledaren. Även om dess förekomst är föredragen, skulle det inre skiktet 8 kunna vara utelämnat. Kabeln är med fördel av extruderad typ, hos vilken isoleringsskiktet 6 är av tvärbunden polyetylen.

I fig 2 illustreras även schematiskt den ekvivalenta kretsen 9 till kabeln 4. Spänningen som är applicerad mellan kabelns ledare 5 och skärmskiktet 7 över det mellanliggande isoleringsskiktet 6 kommer att resultera i en kapacitiv koppling (illustrerad genom kondensatorerna i den ekvivalenta kretsen) mellan ledaren och skärmskiktet, vars storlek blir desto större ju högre spännings- fallet blir per mm tjocklek av isoleringsskiktet 6, d v s ju högre 10 15 20 25 30 35 524 035 det elektriska fältet är. Detta resulterar i en kapacitiv ström IC genom kabeln, vilken kan beräknas enligt följande formel: IC: Därvid är U spänningen mellan ledaren 5 och skärmskiktet 7, f frekvensen med vilken spänningen varierar och C kabelns ka- pacitans. Om inga speciella åtgärder vidtages kommer denna ka- pacitiva ström att ta upp en oacceptabel stor del av kabelns strömhanteringsförmàga, så att kabelns förmåga att överföra ak- tiv effekt reduceras till en alltför låg nivå.

Föreliggande uppfinning löser dock detta problem genom att ut- med kabelns sträckning mellan ställverken i kabeln integrera en eller flera induktorer kopplade mellan kabelns ledare 5 och jord 7 för reaktiv shuntkompensering. Hur detta kan gå till illustreras i fig 3 för en kabel. Kabeln 4 är här delad vid stället för anslutning av induktorn i två delar 4', 4", vilka var och en är ansluten med sin inre ledare till ett anslutningsdon 10, 11. Anslutningsdonen 10, 11 är anordnade i ett på jordpotential liggande hölje 12, som innesluter induktorn. induktorn 13 har en lindning som är med sin ena ände ansluten till ett anslutningsdon 14 och med sin andra ände 15 till höljet. Ett organ 25 är anordnat att elektriskt förbinda de tre anslutningsdonen 10, 11 och 14 med varandra. Härigenom kommer induktorn att kopplas in parallellt med kabelns kapaci- tans C på det sätt som illustreras i fig 4. Detta kommer att inne- bära att en reaktiv ström alstras genom induktorn 13, vilken kommer att kompensera den kapacitiva strömmen producerad i kabeln. Härigenom kommer kabelns strömhanteringsförmàga och därigenom förmåga att överföra aktiv effekt att kunna ökas mar- kant, så att de kapacitiva strömmarna i kabeln kan anses vara väsentligen eliminerade.

En lämplig dimension på en nämnd induktor är för en reaktiv effekt av 5-30 MVAr. Företrädesvis är sådana induktorer väsentligen likformigt distribuerade utmed växelspännings- 10 15 20 25 30 524 035 ledningen, d v s utmed kabeln eller kablarna, såsom schematiskt illustreras i fig 5. Tänkbara avstånd mellan intilliggande induktorer är därvid 5-40 km, företrädesvis 10-25 km. l den i fig 5 visade utföringsformen är två ställverk 1,2 anordnade på ett inbördes avstånd av cirka 200 km. Med 20 kilometers inbördes avstånd är induktorer à 10 MVAr integrerade med kabeln på ovan beskrivet sätt. Kabeln är här en XLPE-kabel (tvärbunden polye- tylen) med en ledare som har ett tvärsnitt av 300 mm2 och vilken är utformad för en systemspänning av 132 kV. Denna anordning innebär en mycket god kompensering av de i kabeln alstrade kapacitiva strömmarna genom induktorerna 13.

I denna figur illustreras även schematiskt hur en optisk fiber 16 är lagd utmed kabeln eller integrerad i denna för användning av en inrättning 17 för skydd av anläggningen, speciellt kabeln och induktorerna, och för kommunikation mellan olika delar hos an- läggningen. Den optiska fibern kan med fördel även användas för kommersiell kommunikation, såsom för telekommunikationstraflk. l fallet av en trefasledning kan mycket väl induktorer av det slag som visas i fig 3 användas och anslutas till varsin faskabel, men det är även möjligt att anordna en i fig 6 illustrerad induktor, som är gemensam för faserna. Denna induktor har tre separata in- duktorlindningar 18-20 anordnade på varsitt fasben hos en ge- mensam kärna 21, och de är anslutna till respektive faskabel på sin uppsida samt till en gemensam jordanslutning på sin nedsida. l fig 6 illustreras även hur det är möjligt att förse induktorn med en hjälplindning 22 för levererande av hjälpenergi via till hjälplindningen anslutna ledningar 23 till valfria förbrukare eller laster. På detta sätt erhålls på samma gång som kabeln installeras en möjlighet att kraftmata en mängd olika förbrukare, såsom kommunikationsutrustning m m. Detta kan göras på ett mycket konstnadseffektivt sätt.

I fig 7 illustreras schematiskt hur en induktor 13, vilken är integ- rerad i en kabel 4', 4” skulle kunna anordnas helt eller delvis nedgrävd i marken. Marknivån är indikerad med 24. Härigenom 10 15 524 035 10 kommer kabelanslutningarna till induktorn att vara belägna under marknivå och därigenom krav på skydd vid dessa att elimineras.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området, utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patent- krav.

Exempelvis skulle en enda induktor kunna vara integrerad med kabeln i det fall avståndet mellan två ställverk inte är alltför stort, såsom exempelvis i storleksordningen 10-30 km. lnduktorn kan vara av varierande typ och även vara utformad som en s k styrbar reaktor, d v s med möjlighet att ställa in dess induktans efter rådande driftsförhållanden hos anläggningen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 o - . . o 0 ~ G fl °' 524 055 ggffg. 11 Patentkrav Anläggning för överföring av elektrisk effekt via en högspänd växelspänningsledning (3) mellan tvà på ett stort inbördes avstånd placerade ställverk (1, 2), kännetecknad därav, att växelspänningsledningen innefattar för överföringen av den elektriska effekten åtminstone en extruderad kabel (4) med en inre elektrisk ledare (5), ett denna omgivande isolerings- skikt (6) av fast material och ett yttre på jordpotential lig- gande skärmskikt (7), att anläggningen dessutom innefattar en eller flera utmed kabelns sträckning mellan ställverken i kabeln integrerade induktorer (13) kopplade mellan kabelns ledare och jord för reaktiv shuntkompensering och att den innefattar flera nämnda induktorer (13) distribuerade utmed ledningen på betydande inbördes avstånd. Anläggning enligt krav 1, kännetecknad därav, att nämnda induktorer (13) är väsentligen likformigt distribuerade utmed ledningen. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att kabeln (4) är av extruderad typ med ett isolerings- skikt (6) av tvärbunden polyetylen. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att kabeln (4) är av typen som dessutom innefattar ett närmastlledaren (5) anordnat inre skikt (8) med en elek- trisk ledningsförmåga som är lägre än den elektriska led- ningsförmàgan hos ledaren men tillräcklig för att bringa detta inre skikt att verka potentialutjämnande för att utjämna det elektriska fältet utvändigt om detta inre skikt, och att skärmskiktet (7) har en elektrisk ledningsförmåga som är högre än den hos isoleringsskiktet (6) för att göra skärm- skiktet kapabelt att genom anslutning till jord fungera poten- tialutjämnande och väsentligen innesluta det elektriska fältet som uppstår innanför skärm-skiktet till följd av den elektriska ledaren. 10 15 20 25 30 35 10. , . n - en .- 524 055 :nu no 12 Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att induktorn (13) är helt eller delvis nedgrävd i mar- ken. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att kabeln är vid induktorn delad i en kabeldel (4', 4”) på ömse sidor om stället för anslutning till kabeln, att an- läggningen innefattar medel för anslutning av induktorn till kabeln innefattande tre anslutningsdon (10, 11, 14) för an- slutning av en ände hos den elektriska ledaren (5) hos varje kabeldel till var sitt sådant samt en ände hos induktorn till det tredje samt ett organ (25) för inbördes elektriskt förbin- dande av de tre donen. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att induktorn (13) innefattar en i ett på jordpotential liggande hölje (12) anordnad lindning ansluten med sin ena ände till kabelns elektriska ledare (5) och med sin andra ände (15) till höljet. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att induktorn (13) är försedd med en hjälplindning (22) för levererande av hjälpenergi till förbrukare, såsom utrust- ning för manövrerlng av delar hos anläggningen och kommu- nikation mellan sådana delar och/eller mellan anläggningen och yttre utrustning. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att den innefattar en utmed kabeln lagd eller i denna integrerad optisk fiber (16) för användning av en inrättning (17) för skydd av anläggningen och/eller kommersiell kom- munikation inom anläggningen och/eller med det yttre. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att växelspänningsledningen uppvisar tre faser med en nämnd kabel för varje fas. 10 15 20 25 30 35 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. » n ~ a nu 524 035 s-n .o 13 Anläggning enligt krav 10, kännetecknad därav, att induk- torn är av trefastyp med kablarna hos respektive fas an- slutna till en separat induktorlindning (18-20) hos var sitt fasben hos en gemensam kärna (21). Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att kabeln (4) är utformad för att ha en systemspänning på mellan 50 kV och 500 kV, företrädesvis mellan 30 kV och 300 kV, mellan ledaren (5) och skärmskiktet (7). Anläggning enligt något föregående krav, kännetecknad därav, att anläggningen är utformad för en maximalt via växelspänningsledningen (3) överförbar effekt av 50 MW- 600 MW. Anläggning enligt något föregående krav, kännetecknad därav, att avståndet mellan nämnda ställverk (1, 2) överskri- der 25 km. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att avståndet mellan en närmast ett ställverk belägen nämnd induktor (13) och ställverket (1, 2) respektive mellan intilliggande nämnda induktorer (13) är 5-40 km, företrädes- vis 10-25 km. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda induktor (13) är dimensionerad för en reaktiv effekt av 5-30 MVAr. Anläggning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att en nämnd induktors (13) dimensionering och av- ståndet mellan intilliggande induktorer respektive mellan en nämnd induktor och ett ställverk (1, 2) är avpassade efter storleken på den spänning kabeln är avsedd att föra och ka- I v oc: o 1 o u o n nu n a» nu ~uuq n n u .. | - . 4 u ~ en u n u n ~ »o o s - n u - q n o n n . u n u u n s »nu ~ i. . u a n 4 n u a n o n e . u u o u I u q u ß v- 0 4 u n. nu nun .Au 4 en . a 14 belns shun-tlfapaciians/längdenhet för att väsentligen elimi- nera kapacltiva strömmar i kabeln.