Upload
vanthu
View
223
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge – Hybrid Tagungsgesellschaft Energie „Forum Netzbau und -betrieb“ 08. Mai 2014 | Leipzig
M.Sc. Stefan Steevens
Inhalt
Grundsätze der Umstellung
Dimensionierungskriterien einer AC/DC-Hybridfreileitung
Zusammenfassung
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014 2
3
Grundsätze der Umstellung
Kapitel 1
NEP: Korridor A (Süd) „Ultranet“
Es ist eine 2 GW DC Verbindung zwischen Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg notwendig
Eine schnelle Umsetzung ist insbesondere wegen des Kernenergieausstieges erforderlich (z.B. KKW Philippsburg 2019)
Nutzung vorhandener Freileitung als Beschleunigungsoption zur Realisierung des Korridors „Ultranet“
4
Ultranet
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
5
+
- n
± 380-kV DC-System
R
S T
380-kV- AC-System
110-kV- AC-System
R S T R S T
AC Mast AC/DC Hybridmast
110-kV- AC-System
380-kV- AC-System
380-kV- AC-System
110-kV- AC-System
110-kV- AC-System
R
S T
R
S T
R S T R S T
Idee und Prinzip der AC/DC-Umstellung
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Aufgabenstellung für das bestehende Gestänge
Umgang mit den unterschiedlichen Kopplungsphänomenen Festlegung der elektrischen Abstände (Isolationskoordination) – zu benachbarten AC- und DC-Phasen – zum Boden – zu benachbarten Objekten Entwicklung der Freileitungsisolatoren inklusive aller Freileitungskomponenten
6 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Unterschiedliche Kopplungsphänomene
Kapazitive und induktive Kopplungsphänomene sind allgemein aus der Literatur bekannt Ohmsche Kopplung kommt bei AC/DC-Hybridfreileitungen hinzu – abhängig von der Raumladung – derzeit nicht dynamisch rechenbar
7
M L1 L2
C
R
AC Leiter
Ohmsche Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
DC Leiter
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
8
Versuchsanordnung
DC-Spannungsquelle
Trenn- und Erdungsschalter Spulen der Resonanz AC-Spannungsquelle
Anschluss an die Freileitung
Messung der Lastströme
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014 9
1: Ladung der Leitung (transienter Vorgang) 2: Statischer Zustand (kein Regen) 3: Regenphase 4: Nach der Regenphase
(Beispiel: monopolar) Ohmsche Kopplung
Ohmsche Kopplung
Höchster Ionenstrom im nächstgelegenen Leiter
Geringerer Einfluss im Bipolarbetrieb
Starke Regenabhängigkeit (bis Faktor 10 gegenüber „guten Bedingungen“)
Erhöhung des Ionenstromes bei einem in Betrieb befindlichen AC-Leiter (ca. 30%)
10 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
11
Dimensionierungskriterien einer AC/DC-Hybridfreileitung
Kapitel 2
12
0
380-kV- AC-System
± 380-kV DC-System
R
S T Min. Luftstrecke zwischen DC-Pol und Erde
Min. Luftstrecke zwischen den DC-Polen
Min. Luftstrecke zwischen DC-Pol und einer Phase des 380-kV-AC-Systems
Minimaler Abstand zum Boden
+
-
Nennspannung
Min. Abstand zu benachbarten Objekten
Dimensionierung einer AC/DC-Hybridfreileitung
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Dimensionierung einer AC/DC-Hybridfreileitung
Auslegung der Abstände im Mastgestänge
– Zurzeit keine Norm für Hybridgestänge (Erarbeitung der AR 421.0.100)
– Anlehnung bei AC-Normen für
mechanische Auslegung DIN EN 50341,
elektrische Auslegung DIN EN 60071 und DIN EN 50341
Isolationskoordination – Schnell ansteigende Überspannung (z. B. Blitzüberspannungen bis
ca. 30 kA, >1,7 p.u.) – Langsam ansteigende Überspannung (z. B. transiente Vorgänge bei
Erdkurzschlüssen bis ca. 1,7 p.u.) – Max. zulässige Betriebsspannung (besteht aus der DC-Spannung und der
AC-Kopplungsspannung) 13 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Berechnete elektrische Abstände
DC Leiter – Erde (innerer Abstand): 3,2 m DC Leiter – DC Leiter: 4,1 m DC Leiter – AC Leiter: 3,9 m DC Leiter – Erde (äußerer Abstand): 5 m (nach 50341) + 3,2 m AC Leiter – Erde (äußerer Abstand): 5 m (nach 50341) + 2,8 m
14 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Allgemeine Anforderungen an AC/DC-Isolatoren
Die Dimensionierung erfolgt bei AC-Isolatoren in drei Schritten – Bestimmung des
Verschmutzungsgrades vor Ort (SPS = Site Pollution Severity)
– Daraus Herleitung des notwendigen Kriechweges
– Anwendung von Korrektur und Profilfaktoren (u. a. Wahl des Schirmprofils)
Bei DC führt die Verschmutzung zu einer höheren Beanspruchung und damit zu größeren Kriechwegen
15 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Methoden der Isolatorendimensionierung
Für DC sind zwei Methoden zur Dimensionierung des Kriechweges anwendbar – Deterministische Methode: unter der Annahme eines SDD-Wertes (Salt
Deposit Density, leitfähiger Salzanteil in der Verschmutzungsschicht) wird unter Berücksichtigung geeigneter Korrekturfaktoren ein Kriechweg berechnet
– Statistische Methode: erfordert hinreichend genaue Informationen zur Verschmutzung vor Ort und Kenntnisse der Isolationseigenschaften (u.a. Hydrophobie)
Zwischenfazit: Die statistische Methode stellt das geeignetere Verfahren dar, da dort durch Verwendung empirischer Größen auf nicht hinreichend bekannte Korrekturfaktoren verzichtet werden kann
16 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Isolatorendimensionierung nach der statistischen Methode 1/3 - Beispiel
Es wurde als Isolatortyp ein Verbundisolator gewählt (besseres Fremdschichtverhalten als Porzellan- und Glasisolatoren aufgrund der Oberflächenhydrophobie und des Hydrophobietransfers)
Für die Auslegung des Isolators wurde die Verschmutzungsklasse d (Mittlere Verschmutzung) nach IEC 60815 gewählt.
17 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Isolatorendimensionierung nach der statistischen Methode 2/3 - Beispiel
Der Isolator ist nach den Ergeb-nissen von Verschmutzungs-versuchen bei STRI I Schweden und dem daraus abgeleiteten IST®-Entwurfsprogramm dimensioniert worden (Anwendung statistischer Isolationskoordinationsmethoden bzgl. Verschmutzung)
18 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Einsatz von Isolatoren mit Wechselschirmprofil ohne Unterrippen (Glattschirme)
Mit dem gewählten Isolator werden die Profilanforderungen (Schirmwinkel, Abstände Schirme, Kriechwegfaktor, ...) gemäß IEC 60815-4 sowie den zukünftigen Anforderungen des DKE Ad-hoc Arbeitskreises zu "Hybride AC-DC–Übertragung, DC-Übertragung“ eingehalten
Gewähltes Schirmprofil bereits erfolgreich auf der 533-kV-DC-Ltg. „Cahora Bassa“ in Südafrika (ESKOM) im Einsatz
19
Isolatorendimensionierung nach der statistischen Methode 3/3 - Beispiel
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Dimensionierung der DC-Ketten 1/2 - Beispiel
Kriechwegbestimmung – Verifizierung der bisherigen Auslegungskriterien – z.B. 43 mm/kV (Starke Verschmutzung - Porzellan) – z.B. 33,6 mm/kV (Mittlere Verschmutzung – Verbundstoff) – Annahme Hydrophobie: Faktor 0,75 Berechnung der Schlagweite (für Verbundwerkstoffe) – 380 kV * 33,6 mm/kV = 12,77m * 0,75 = 9,58 m – Empfehlung: Kriechweg / Schlagweite < 3,8 – Schlagweite > 9,58 m / 3,8 = 2,52 m
20 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Dimensionierung der DC-Ketten 2/2 - Beispiel
Gesamte Kettenlänge ca. 4,4 m
Feldsteuerungsarmaturen – Verringerung der Koronaentladungen Lastumlagerungsfähigkeit
Aerodynamische Auslegung (Verifizierung der Geräuschemission) im Windkanal
21
Sch
lagw
eite
Ket
tenl
änge
Feld steuerungs- Armaturen
Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Validierung von Feldsteuermechanismen anhand von Hochspannungsversuchen
Gesamte Kettenlänge ca. 4,4 m
Feldsteuerungsarmaturen – Verringerung der Korona-
entladungen Lastumlagerungsfähigkeit
Aerodynamische Auslegung (Verifizierung der Geräuschemission
22 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
23
Zusammenfassung
Kapitel 3
Zusammenfassung
Hybridgestänge können technisch umgesetzt werden – Mechanische Dimensionierung erfolgt gemäß 50341 – Isolationskoordination ist mit bestehenden Normen (u.a. 60071-2) auf DC
übertragbar – Kopplungsphänomene stellen für vorhandene Betriebsmittel kein K.O. –
Kriterium dar Abstandsbemessung erfolgt unter Berücksichtigung von Mischbeanspruchungen
Vorhandene Gestänge sind für den AC/DC-Betrieb geeignet
24 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014
Das starke Netz für Energie | www.amprion.net
Quellennachweis
Cigre paper 141: „Design and layout of AC-DC hybrid lines“, Auckland Symposium 2013
Cigre paper 142: „Ohmic coupling between AC and DC circuits on hybrid overhead lines“, Auckland Symposium 2013
26 Forum Netzbau und -betrieb „HGÜ und Drehstrom auf einem Gestänge“ | 08. Mai 2014